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Teoría de la Relatividad Especial #CienciaClipChallenge - CuriosaMente 62

¡José Luis Crespo, de Quantum Fracture nos lanzó este reto!


El reto es parte de CienciaClip Challenge. Si eres un joven de secundaria o bachillerato puedes participar haciendo un video de comunicación de la ciencia y ganar libros, un kit de construcción de un drone robot o hasta una visita al CERN. ¡Te daremos más detalles al final!

Ahora a responder el reto… ¿Qué es la teoría de la relatividad especial?


La física clásica está basada en el supuesto de que las distancias y los intervalos de tiempo son absolutos: un metro y un segundo, por ejemplo, miden lo mismo independientemente de si se miden en reposo o en movimiento. Así parece confirmarlo nuestra intuición y nuestra experiencia cotidiana. Pero Albert Einstein nos dice que no: espacio y tiempo no son absolutos ni independientes entre ellos.

Por allá de 1905, mientras trabajaba en una oficina de patentes, Einstein nos propone imaginarnos un tren. Imagina que corre a 100 kilómetros por hora. Si una persona dentro del tren, llamémosla María, lanza una pelota hacia adelante a una velocidad de, digamos, 20 kilómetros por hora, para un observador parado junto a las vías, llamémoslo Miguel, las velocidades se suman y vería que la pelota va a 120 kilómetros por hora. Si a un pasajero le pega la pelota, no tiene peligro de morir: sentirá el pelotazo a sólo 20 kilómetros por hora. Igual que si Miguel le tirara la pelota a un amigo suyo que esté en tierra. Este es el primer postulado: las leyes de la física son iguales en cada marco de referencia si su velocidad es constante. Para María, el marco de referencia es el tren, para Miguel, es la Tierra. Hasta aquí no hay nada extraño ¿verdad? Pues entra en escena la velocidad de la luz…

Imagina que María, en vez de lanzar una pelota, enciende un láser. Sabemos que la luz se mueve a 300,000 kilómetros por segundo en el vacío (digamos que el tren se mueve en el vacío para simplificar los cálculos). Si un pasajero mide la velocidad, obtendrá exactamente esa cantidad. Según nuestra intuición, si Miguel midiera la velocidad, el resultado tendría que ser la suma de la velocidad de la luz más la velocidad del tren: 300,100 kilómetros por segundo y… ¡resulta que no! ¡La velocidad sigue siendo la misma! Ese es el segundo postulado: la velocidad de la luz es la misma para cualquier observador.

Muchos años antes que Einstein, Hipólito Fizeau hizo un experimento análogo al del tren: lanzar un rayo de luz a través de un tubo con agua en movimiento. Ya se sabía la velocidad de la luz en el agua, pero Fizeau quería saber si la velocidad con la que se movía se sumaba a la velocidad de la luz cuando iban en la misma dirección. ¡Y vio que no! Entonces, si la velocidad de la luz no cambia, es decir, si es independiente de la velocidad con la que se mueva su fuente ¿qué pasa? A través de ese razonamiento matemático, Einstein dedujo que si la velocidad de la luz era constante, lo que se modifica con el movimiento son el tiempo y el espacio mismos.

Por extraño que parezca, múltiples experimentos lo han demostrado. Por ejemplo, el efecto llamado “aberración de la luz” hace que una estrella se vea en una posición ligeramente diferente dependiendo de si el observador se acerca o se aleja de ella.

Una de las consecuencias extrañas de esta teoría es la “paradoja de los gemelos”. Imagina que María y Miguel son gemelos y los dos tienen relojes ultraprecisos que miden el tiempo haciendo rebotar un fotón en dos espejos. Los dos relojes están perfectamente sincronizados. Miguel, a quien ya vimos que no le gusta viajar, se queda en la Tierra, y María se va a viajar al espacio. Cada uno ve su reloj hacer “tic tac” a la misma velocidad. Para ambos la velocidad de la luz es constante. Como María se mueve con relación a Miguel, él ve que el fotón de María recorre una distancia mayor en cada “tic”... así que el tiempo en realidad se mueve más lento en la nave que en la Tierra, por lo que para María habría pasado menos tiempo. Ahora bien, para ella, el reloj de Miguel es el que se mueve más lento, y sería él el que habría pasado menos tiempo cuando se encontraran ¡ahí está la paradoja! ¿Cuál es la respuesta? Como el movimiento de la nave de María no es uniforme, sino que tuvo que pasar por una aceleración y una desaceleración ¡para ella habría pasado menos tiempo y sería más joven que Miguel cuando se volvieran a encontrar!  Aunque estos efectos son muy pequeños ¡se notan! Un astronauta girando alrededor de la tierra por un par de años, es unos cuantos milisegundos más joven que los que se quedaron aquí.

Ya sea en el tren o en la nave espacial, la relación entre las medidas tomadas por María y por Miguel, es decir, la manera en la que se cambian las distancias y las duraciones, se calcula usando la llamada “Transformación de Lorentz”, fundamental en la teoría de la relatividad. Tecnologías actuales, como los GPS, dependen de la teoría de la relatividad para efectuar sus mediciones con precisión.

En un trabajo que hizo más tarde en ese mismo año, Einstein llevó la teoría de la relatividad más allá y se dio cuenta de que de ella se podía deducir, entre otras cosas, que la materia y la energía no son entidades separadas, sino que son equivalentes: de hecho, la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado… pero eso es tema... para otro video.

Si te gusta la ciencia y estás en la secundaria o en la prepa encuentra un tema que te guste mucho, haz un video y entra al concurso CienciaClip Challenge. Puedes hacerlo en forma de animación, o como video blog. En la descripción te ponemos un video de Javier Santaolalla que lo explica con detalle o entra a cienciaclip.naukas.com para ver las bases. ¡Asesórate muy bien antes de grabarlo!

Y ahora vamos a retar a Rubén Lijó, quien tiene un canal muy interesante sobre ciencias naturales, a hacer un video. ¡Rubén! Hemos recibido cientos de preguntas de nuestros suscriptores y no nos damos abasto. ¡Por favor, escoge una o varias de estas preguntas y ayúdanos a responderlas!

Y muchas gracias a José Luis Crespo por su ayuda ¡visita su canal! Y el de Rubén Lijó… y el de Javier Santaolalla!






Einstein




  1. Geometría euclidiana (coordenadas cartesianas) y 4 dimensiones

  2. Experimento tren:

    1. Pelota que cae

    2. Persona que corre

    3. Invariabilidad de la velocidad de la luz.

    4. Mediciones de la luz desde diferentes puntos,

  3. Hipótesis injustificadas:

    1. 1. El intervalo temporal entre dos sucesos es independiente del estado de movimiento del cuerpo de referencia.

    2. 2. El intervalo espacial entre dos puntos de un cuerpo r´ıgido es independiente del estado de movimiento del cuerpo de referencia.

  4. Marcos de referencia

  5. ADICIÓN DE VELOCIDADES Experimento de Fizeau

  6. La distancia se acorta mientras más rápido se mueve el objeto

  7. Para la velocidad v = c ser´ıa 1 − v2/c2 = 0 para velocidades a´un mayores la ra´ız se har´ıa imaginaria. De aqu´ı inferimos que en la teor´ıa de la relatividad la velocidad c desempe˜na el papel de una velocidad l´ımite que no puede alcanzar ni sobrepasar ning´un cuerpo real.

  8. Tiempo.

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