jueves, 29 de marzo de 2007

Relatividad especial para "dummies"


La teoría de la Relatividad (que no tiene nada que ver con los clásicos "Todo es relativo" o "Eso es como todo" ) se trata en realidad de dos teorías: la Relatividad Especial y la Relatividad general. Ambas teorías fueron propuestas por Einstein con una separación de 10 años aproximadamente. En este post, os quiero contar algo sobre la Relatividad Especial (que en realidad es un caso particular de la General) que es mucho más sencilla de entender de lo que la gente supone.

La Relatividad Especial ha dado mucho de que hablar acerca de los viajes en el tiempo. Para zanjar la discusión antes de empezar con los detalles resumiré: la Relatividad Especial dice que viajar al futuro es trivial pero viajar al pasado es imposible. En otras palabras, podríamos visitar a nuestros descendientes, pero no podemos volver para contarlo. Veamos por qué y qué ideas dieron origen a la Relatividad Especial.

A finales del siglo XIX, la teoría de Maxwell (de quien ya hablamos en otra ocasión)
del electromagnetismo era firmemente aceptada. En parte por su belleza (Maxwell consiguió unificar la electricidad con el magnetismo como si se tratase de dos caras de la misma manera) pero esencialmente porque proporcionaba una explicación acerca de qué era la luz. Sí, la luz. Algo tan intangible y tan diverso es una solución particular de las ecuaciones de Maxwell
Dichas ecuaciones predecían además el valor de la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente c=300.000 Km/s. Esta predicciómn fue corroborada experimentalmente.

Todo era perfecto...salvo un "pequeño" detalle. Cuando uno habla de velocidad, en realidad se refiere a velocidad respecto a algo. Por ejemplo, cuando nos ponen una multa por exceso de velocidad, esa velocidad es relativa al suelo (porque respecto al copiloto estás quieto). Como los planetas se mueven, así como el sol y las estrellas, a Maxwell y sus contemporáneos se les ocurrió la explicación del "éter". Una sustancia imperceptible e intangible que está en reposo absoluto respecto al universo (sería como el suelo de la carretera en la analogía anterior). Pero, claramente, esta teoría tenía muchos puntos débiles como el propio Maxwell ya sabía.

La explicación del éter terminó de derrumbarse gracias al más famoso experimento fallido de la Historia, el experimento de Michelson-Morley. En este experimento se observó que la velocidad de la luz era siempre la misma, con independencia del sistema de referencia que uno utilice. En otras palabras que por mucho que uno corra, siempre nos parecerá que la luz se aleja de nosotros con la misma velocidad.

Aquí es cuando Einstein entró en escena en 1905. En aquel año Einstein publicó una serie de artículos que revolucionaron la forma de entender la Física y hasta en la forma de concebir el mundo (Filosofía).
Uno de ellos, que podéis descargar gratuitamente en este enlace (está en inglés, el original estaba en alemán), se llamaba "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento". En él, Einstein postula que, tal como demuestran los experimentos, la velocidad de la luz es la misma en cualquier sistema de referencia. El resto del artículo versa sobre las consecuencias físicas de esta conjetura.

Trataré de explicarlo de la manera más sencilla posible. Imaginemos el siguiente experimento mental (así le gustaba a Einstein denominarlos). Estamos en el interior de un tren que pasa por la estación a una cierta velocidad. En un momento dado encendemos una luz que apunte hacia el suelo del tren (ver figura). La luz desciende, se refleja en el suelo y vuelve a subir. Si sostenemos la linterna a un metro del suelo, esto habrá llevado (recordemos, velocidad = espacio /tiempo) un tiempo:
T1=2/c
donde el 2 aparece porque la luz, primero baja y luego sube, es decir recorre el "metro" dos veces.

Veamos qué ve alguien que observe el mismo experimento desde la estación (parte derecha de la figura). La luz desciende pero a la vez avanza puesto que el tren lo hace, se refleja y sube...pero sigue avanzando. No sabemos cuántos metros "L" ha recorrido, pero claramente más que dos, porque además de bajar y subir avanza hacia la derecha. si calculamos el tiempo que ha llevado este experimento para el observador en la estación, será:
T2=L/c

Como el recorrido L es mayor que los dos metros del experimento dentro del tren, esto significa que el tiempo ha pasado más despacio para la persona dentro del tren que para la que está fuera!!!!!

Repetimos, "el tiempo ha pasado más despacio para la persona dentro del tren que para la que está fuera". En definitiva, EL TIEMPO ES RELATIVO. Con esto no me refiero al tiempo "psicológico" que hace que estar con unos amigos se pase rápidamente pero estar en clase se haga eterno. Me refiero al tiempo físico, al que miden los relojes. La contracción del tiempo del observador en movimiento está más acentuada cuanto mayor sea la velocidad del mismo. La teoría también implica que no se puede alcanzar la velocidad de la luz (si uno quiere conservar su masa).

Este fenómeno ha dado lugar a una extensa fenomenología, relacionada generalmente con los viajes espaciales. Por ejemplo si un astronauta viaja en una nave espacial a una velocidad muy elevada (recordemos que a mayor velocidad, mayor es el efecto). Al volver a la Tierra, para él habrá pasado mucho menos tiempo que el que habrá pasado para el resto de los terrícolas.

Así que, ¿viajar al futuro? Fácil, viaja a velocidades muy altas y al volver ya estarás en el futuro. Viajar al pasado no es tan sencillo. La teoría dice que si se puediese hacer, se rompería el principio de causalidad, es decir, los efectos precederían a las causas, lo cual, para la Física actual, es totalmente inaceptable.

Bueno, espero que os haya quedado algo más claro el tema (recordad el experimento del tren que es sencillo de explicar e infalible para convencer al más excéptico) y ya sabéis, cuando alguien os diga eso de "Todo es relativo", podéis añadir en un alarde de snobismo "Sí, pero depende de la velocidad a la que uno se mueva". Mejor no lo hagáis, salvo que ya tengáis pareja y estéis seguro de que no la vais a perder...

16 comentarios:

Costa Alonzo dijo...

oye pero k buen post es este....

Un despistado dijo...

Por más que lo pienso, el experimento del tren y la luz me parece un error:

La luz siempre se mueve a velocidad C independientemente de la velocidad de la fuente, eso implica que el rayo de luz no adquiere nunca la velocidad de desplazamiento lateral del tren (que sí adquiriría cualquier objeto con masa como, por ejemplo, una pelota) y, por lo tanto, cuando la luz rebote y vuelva a la altura de la que partió, la linterna se habrá desplazado lateralmente, pero la luz no.

¿Qué es lo que estoy entendiendo mal?

Un despistado dijo...

"En otras palabras que por mucho que uno corra, siempre nos parecerá que la luz se aleja de nosotros con la misma velocidad."

Si te mueves a la velocidad próxima a la de la luz y emites un rayo de luz en el sentido de tu desplazamiento... dado que la luz no adquiere la velocidad de la fuente (como pasaría con cualquier objeto con masa), el rayo de luz se aleja de tí a la velocidad relativa C-V, donde V es la velocidad del emisor... esto significaría que la luz se aleja de tí a una velocidad 0 si V = C...
¿Qué es lo he entendido mal?

Ookami-zero dijo...

joerr despistado! pense q era el unico loco, me rompi la cabeza pensando en eso como 2 horas (ni comi xD) aun no lo entiendo bien, no se si stoy en un error o si el experimento esta mal pero igual...

oe si alguien quiere hablar de fisica teorica...dejen su msn

Falevian dijo...

Querido Despistado:
No termino de entender tu duda. ¿Qué desplazamiento lateral? En el esquema un señor ilumina un espejo que hay en el suelo, para el la luz rebota como lo haría para tí si haces el experimento en casa. Es decir, se aleja a c.
Para un observador externo, si el tren se mueve, la luz recorrería otro camino, que es el que pintamos en el post. Es decir, para el observador externo el tren se ha acortado, porque la luz siempre va a c, para el observador interno no.

Fran dijo...

muuchas gracias pero .. y la ecuacion E = mc2?

Carla dijo...

E=mc2 es la ecuación derivada de la Relatividad Especial. Expresa la estrecha relación entre masa y energía: a medida que un cuerpo en movimiento va adquiriendo energía,su masa aumenta de manera proporcional. Esta fórmula es la que sustenta el hecho de que ningún cuerpo pueda viajar a la Velocidad de la Luz: cuanta más velocidad adquiera un ucerpo, más energía costará acelerarlo. Si se alcanza la Velocidad de la Luz, la masa del cuerpo se tornaría infinita, habiendo necesitado, proporcionalmente, una cantidad infinita de energía para llegar a ese estado, lo cual es imposible. Es por eso que esta fórmula principalemten postula que nada puede viajar a la Velocidad de la Luz ni más allá.

josericce dijo...

Y si el que prende la linterna es el que esta afuera del tren, en ese caso el esta quieto y no se mueve pero para el pasaria el tiempo mas lento

martinjaramillo dijo...

La famosa observación del eclipse y de la estrella visible al lado y que debía estar en ese instante detrás del sol, no es la prueba reina de que la masa curva el espacio, sino que, en parte, es una simple prueba más de la refracción de la luz al traspasar las diferentes capas de la atmosfera solar, y en parte, es también la prueba de que la luz, también es atraída por la gravedad, porque la luz, aunque no posea masa, si posee una equivalencia en masa proporcional a su energía. Pero, de eso, no se tenía claridad antes de Einstein y su genial fórmula: E=mc2.
Este hecho histórico de la observación de la estrella durante el eclipse es el típico caso del estudio de un hecho real, pero mal interpretado. El fenómeno se podía interpretar de las dos formas: o como evidencia de la curvatura del espacio o como el resultado combinado de: la interacción gravedad-luz de un lado y la refracción de la luz del otro lado. ¿Nunca nadie ha explicado satisfactoriamente, porque en ese caso del eclipse, no es válida ó no opera, la teoría de la refracción?
Pero las conveniencias históricas de ese momento favorecían la tendencia por la primera interpretación. Era más importante tener al genio, y al padre de la bomba atómica, al lado de los aliados.
Es lógico de que a veces los intereses políticos, económicos, religiosos o de cualquier otra índole presionen a los científicos, lo que no es lógico es continuar indefinidamente defendiendo: leyes, paradigmas, personajes, cultos, entre otros, y especialmente cuando ya pasó la angustia del momento.
¡¡ El genio me sabrá perdonar.!!! El mismo lo dijo: Masa y energía son dos presentaciones de la misma cosa.
La gravedad interactúa con las fuerzas electromagnéticas, porque estas tienen su equivalencia en masa y en proporción a su energía. Y esa interacción será la base para unificar muy pronto la teoría cuántica con teoría de la gravedad de Newton debidamente actualizada y corregida con los aportes acertados de Einstein y su teoría de la relatividad, la cual será un buen complemento para la teoría de la gravedad de Newton, pero un mal remplazo. Y así dejaríamos de lado la errónea idea de que la gravedad es una ilusión o que es una fuerza imaginaria o que es un efecto del peralte del espacio plano deformado por la masa. Para que exista el efecto peralte en la trayectoria de un móvil tiene que existir la gravedad, para que la masa deforme o curve algo como el espacio tiene que haber una fuerza como el peso de esa masa y el espacio no podría ser vacio. sino que debe estar constituido por algo, por eso Einstein tiene que proponer una especie de malla elástica que no se ha podido definir, y entonces debe aceptarse de que el éter no existe sino que lo que existe es esa indeterminada estructura tejiendo el espacio y que se describe envolviendo por debajo a los cuerpos materiales con una especie de cono romo o un agujero; y preguntamos si ese cono y ese peralte es igual por todos los lados y también por encima, porque si es así, se anularían los peraltes unos con otros; lo que resulta como contradictorio.
Muy pronto entenderemos que la gravedad es una fuerza tan real, como real es que en el espacio interestelar se entrecruzan e interactúan las fuerzas electromagnéticas que emiten los cuerpos materiales y comprenderemos que todas las formas de energía incluidas las emisiones electromagnéticas tienden a fluir naturalmente desde donde están más densas, más concentradas, hacia donde están menos densas o a fluir hacia donde no hay presencia de energía. Por eso es que la atracción gravitacional no solo se presenta entre la energía-materia conocida sino que también se presenta entre esta y la materia oscura desenergizada.
Los vacios en la teoría de Newton se llenarán con los aciertos de las teorías de Einstein.

Ver artículo completo en: http://nuevateoriasobreeluniverso.blogspot.com/

martinjramilloperez@gmail.com

aurian dijo...

oh dios me encanta la física, pero solo tengo 15 años, y para mi esto se me queda un poco adelantado . T.T

croccifixio29 dijo...

lastima que hayan decidido no continuar con su labor. me he encontrado tarde con este blog.

Alvaro Mauricio dijo...

Cordial saludo a todos, alguien me podrìa explicar entonces que es la luz, ya que nada puede adquirii su velocidad ?

Santos Cavero dijo...

Pues que no es que la luz no adquiera la velocidad de la fuente, sino que c es c para cualquier observador que la mida, ergo viajes a la velocidad que viajes (siempre y cuando sea a v constante) la luz se alejará de ti a la misma velocidad, C.

Esto lo explica el primer principio de la relatividad especial, todos los sistemas inerciales son equivalentes y las leyes de la física sirven en todos ellos.

Un saludo no tan físico.

Santos Cavero dijo...

Eso se llama relatividad general, y es otro tema (nada obvio).

Santos Cavero dijo...

Yo empecé con 12 a leer libros de divulgación científica, así que tu solo tienes que ponerte.
El cerebro de Einstein era exactamente igual que el nuestro así que ánimo.

Santos Cavero dijo...

La luz es una partícula sin masa.
Y también es una perturbación electromagnética (onda) que se propaga por el vacío y que contiene toda la radiación del espectro.

Por cierto, no es ni una ni la otra, son las dos a la vez.