La teoría de la relatividad: explicación fácil y ejemplos.

La teoría de la relatividad supuso un antes y un después para la Ciencia moderna. Descubre en este artículo todo sobre esta teoría revolucionaria.

Desde Galileo, hasta Einstein, este artículo te ofrece una breve introducción histórica a la invención y desarrollo del principio de la relatividad, así como las principales aplicaciones que se derivan de él.

Principio de relatividad de Galileo

En el siglo XVII, el astrónomo, matemático y físico Galileo Galilei observó que era imposible que un viajero que estuviese encerrado en la bodega de un barco supiera si estaba parado o si, por el contrario, se movía en un mar en calma. 

Según Galileo, ya sea que el barco estuviese atracado o se moviese en línea recta a una velocidad constante, una manzana que cualquier marinero dejase caer desde lo alto del mástil, volvería a caer exactamente a su pie. Así fue como el físico italiano, Galileo, estableció su principio de relatividad que establece la siguiente premisa: «el movimiento en sí es como nada».

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Esto se traduce en la imposibilidad de que el movimiento de traslación rectilíneo y uniforme de un cuerpo móvil por una experiencia que se realiza sólo en su interior, sin referencia al mundo exterior. Las teorías de Galileo pasarían a formar parte de las predicciones más brillantes en el mundo de la física.

Galileo Galilei

Retrato del físico Galileo Galilei

Principio de relatividad de Einstein

El principio de relatividad de Galileo, aplicado como norma a la mecánica, fue prácticamente abandonado a finales del siglo XIX, cuando los físicos pensaron en remarcar el movimiento de la Tierra alrededor del Sol a través de un experimento óptico. Observaron que la luz no podía propagarse en el vacío y por ello idearon un medio particular que permitía esta propagación. 

A este medio lo llamaron «Éter» (que no debe ser confundido con el éter de la Química). Esperaban así que, del mismo modo que la velocidad del sonido se mueve a través del aire, la velocidad de la luz dependiera de la velocidad de la fuente en relación con el éter. Esto permitiría, por ejemplo, resaltar el movimiento de la Tierra en relación con el Éter y, de este modo, invalidar la relatividad galileana.

En el año 1887, Albert Michelson y Edward Morley consiguieron demostrar, gracias a un experimento que se ha hecho famoso a posteriori, que la velocidad de la luz en el vacío, que es aproximadamente de 300.000 kilómetros por segundo, toma el mismo valor que la velocidad de la Tierra alrededor del Sol. Por lo tanto, no logran resaltar el movimiento de la Tierra.

Así fue como este resultado invalidó la teoría del Éter e impuso la idea de que la luz se propagaba sin un soporte material. La velocidad de la luz en el vacío se convirtió entonces en un invariante, es decir, en independiente del estado de movimiento del observador. 

Posteriormente, en un artículo publicado en el año 1905, Albert Einstein extendió el principio de Galileo a todas las leyes de la física entonces conocidas. Entre todas ellas, a la mecánica y el electromagnetismo, lo que implica que la velocidad de la luz es idéntica en todos los marcos de referencia inerciales.

Albert-Einstein

Foto de archivo de Albert Einstein

De la Relatividad Especial (1905) a la Relatividad General (1915)

En 1905, Albert Einstein consiguió establecer que la teoría de la relatividad especial, fundando así la noción de espacio-tiempo y estableciendo un vínculo entre energía y masa. 

La relatividad especial también hace que la velocidad de la luz (en el vacío) sea una cantidad invariable, que permanece invariable sea cual sea la posición del observador. 

A partir de 1907, intentó describir la gravitación basándose para ello en la simple idea de que una persona en caída libre ya no siente su peso. En el año 1912 amplió esta idea al explicar que la luz debe tener una trayectoria curvada por la gravedad, lo que se verificaría durante el eclipse de sol de 1919.

Einstein pasaría los años siguientes desarrollando el formalismo matemático que refleja estas concepciones. 

El 25 de noviembre de 1915 fue capaz de presentar a la Real Academia de Prusia las ecuaciones definitivas de la teoría de la relatividad general. Esto se basa en el principio de equivalencia entre la gravedad y la aceleración, y quedaría remarcado en un artículo que se publicaría el 2 de diciembre de ese mismo año. Estos avances serían cruciales para las posteriores teorías de cuerdas.

La relatividad del tiempo

Para entender las consecuencias de las teorías y postulados de Albert Einstein, debemos pensar en un tren imaginario que viaja a una velocidad cercana a la de la luz en un movimiento rectilíneo y uniforme. 

Uno de los pasajeros del tren nota que dos haces de luz, emitidos simultáneamente en el centro del vagón, alcanzan las paredes opuestas simultáneamente. Por otro lado, esto no es lo que el jefe de estación observa desde el andén. Como la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, los haces de luz alcanzan las paredes opuestas del vagón en momentos diferentes porque uno de los haces debe alcanzar al tren. Así, la primera consecuencia de la relatividad de Einstein es que la simultaneidad de dos eventos es totalmente relativa al observador.

trayectoria luz

La trayectoria de la luz depende de la relatividad del observador

Estas consecuencias se derivan de una importante inversión conceptual. 

Hasta entonces, el tiempo y el espacio formaron el escenario en el que se desarrollaron los acontecimientos. Se consideraban nociones fundamentales y la velocidad era una noción que derivaba de ellas. 

Si el tiempo y el espacio deben adaptarse a una velocidad invariable, entonces se vuelven relativos al marco de referencia del observador y, por lo tanto, ya no son independientes, sino que forman una nueva entidad unificada, el espacio-tiempo. Esto influiría mucho en las teorías posteriores sobre agujeros negros

¿Qué aplicaciones tiene la teoría de la relatividad?

La variación de duraciones con el movimiento del observador ha sido comprobada experimentalmente con gran precisión, gracias a la desintegración de muones atmosféricos o aceleradores de partículas. Hoy en día, el principio de la relatividad del tiempo se usa comúnmente en la física fundamental, pero también es fundamental tener la teoría de la relatividad presente a la hora de sincronizar los relojes de los sistemas de geolocalización por satélite.

Imagen de portada: Gentileza de urban techno.

FUENTE RESPONSABLE: Urban Techno. Por Juan Pablo Longobardo. 24 de enero 2023.

Sociedad/Ciencia/Física/Teoría de la Relatividad/Tiempo.

Así se dimensionan las distancia en el cosmos.

Los años luz han ayudado al humano a dimensionar la distancia entre el planeta Tierra y otros cuerpos celestes en el universo.

Los objetos tecnológicos utilizados para captar  observar el universo logran generar imágenes de lo que alguna vez fue el universo y los años luz han ayudado a los seres humanos a medir la distancia de La Tierra de otros cuerpos celestes en el cosmos. 

¿Cómo funcionan los años luz? 

Cuando se habla de «un año luz» se establece con una multiplicación entre 365.25 (días que representa un año), con 299.79 kilómetros (que recorre la luz en un segundo) y así se determina dicha distancia. 

Al hacer esta multiplicación, se puede establecer que un año luz equivale en kilómetros a 9 billones 460 mil 716 millones 19 mil 200. 

Entonces su utilizó la luz como medida única para medir distancias, pues nada viaja más rápido que la luz, ni siquiera el sonido.

Así se puedo establecer que La Tierra en años luz a ocho minutos del Sol, y de la vía Láctea de 100.000 años y de la galaxia Andrómeda  2.5 millones de años luz.

Imagen de portada: GETTY IMAGES

FUENTE RESPONSABLE: Caracol Radio. Colombia. 17 de septiembre 2022.

Astronomía/Ciencia/Dimensiones/Medición de tiempo.

 

El tiempo podría tener la estructura de un cristal.

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Un equipo de físicos ha detectado que la escala mínima de tiempo medible tiene varios órdenes de magnitud mayor que el tiempo de Planck, el mínimo establecido hasta la fecha. Esto, aplicado a las ecuaciones básicas de la mecánica cuántica, señalaría que la estructura del tiempo podría ser como la de un cristal, consistente en segmentos discretos que se repiten periódicamente.

El filósofo Heráclito (siglo V a.C.) relacionaba el tiempo con el estado de constante fluir de todas las cosas; y del tiempo decía Aristóteles “es un tipo de número”. La ciencia también se ha preguntado sobre la naturaleza del tiempo: ¿Es el tiempo un continuo (fluye sin cesar, como decía Heráclito) o es discreto (se divide en unidades consecutivas, como sugería Aristóteles)? Un nuevo estudio arroja algo de luz -y oscuridad- a esta cuestión.

Para intentar comprender lo que plantea este trabajo hay que comenzar explicando que en física hay establecido un límite temporal. Se trata del tiempo de Planck o cronón, y se considera el intervalo temporal más pequeño físicamente significativo (10-43 segundos).

El nuevo estudio ha demostrado que esa escala mínima de tiempo tendría varios órdenes de magnitud mayor que el tiempo de Planck.  Por otro lado, los autores del trabajo (de la Universidad de Waterloo y de la Universidad de Lethbridge, en Canadá, y de la Universidad de Alejandría, en  Egipto) han constatado que la existencia de ese tiempo tan mínimo alteraría las ecuaciones básicas de la mecánica cuántica.

Dado que la mecánica cuántica describe todos los sistemas físicos a una escala muy pequeña (subatómica), esta nueva medida temporal podría cambiar la descripción de los sistemas mecánico-cuánticos, afirman. Sus resultados han sido publicados The European Physical Journal C.

Buscando la estructura del tiempo

Impulsados por varios estudios teóricos recientes, los investigadores quisieron profundizar en la estructura del tiempo, en particular, en la cuestión largamente debatida (como hemos visto, incluso desde la filosofía clásica) de si el tiempo es un continuo o si es discreto. Para su estudio, partieron del presupuesto de que el tiempo es discreto o discontinuo, explica en Physorg Mir Faizal, uno de los autores del trabajo.  

Probaron este punto con la tasa de emisión espontánea de un átomo de hidrógeno. La emisión espontánea es un proceso por el cual un átomo en un estado excitado, pasa a un estado de energía más bajo, liberando un fotón en el proceso.

Descubrieron así que el tiempo mínimo era de magnitud mayor que el tiempo de Planck, pero no superior a una determinada cifra. Futuros experimentos podrían determinar el valor exacto de este límite de tiempo mínimo. Los efectos propuestos también pueden ser observables en otras tasas de desintegración de partículas y de núcleos inestables.

Implicaciones para el tiempo

Los científicos sugieren que aplicar esta nueva medida a las ecuaciones básicas de la mecánica cuántica modificarían la misma definición de tiempo.

Explican que la estructura del tiempo podría ser pensada a partir de estos resultados como una estructura de cristal, consistente en segmentos discretos que se repiten periódicamente.

En un plano más filosófico, el argumento de que el tiempo es discontinuo sugeriría que nuestra percepción del tiempo como algo que fluye de forma continua es sólo una ilusión.

«El universo físico es realmente como una película, en la que una serie de imágenes fijas crean la ilusión de imágenes en movimiento», afirma Faizal. Una ‘película’ que estaría producida por una estructura matemática subyacente discreta.

La propuesta señalaría a lo que decía Platón, que la verdadera realidad existe independiente de nuestros sentidos. «Sin embargo, a diferencia de otras teorías del idealismo platónico, esto puede ser probado experimentalmente, y no es solo un argumento filosófico», concluye Faizal.

Referencia bibliográfica:

Mir Faizal, et al. Time crystals from minimum time uncertainty.  The European Physical Journal C (2016). DOI: 10.1140/epjc/s10052-016-3884-4.   

Imagen de portada: Gentileza de Tendencias 21.

FUENTE RESPONSABLE: Tendencias 21. Eduardo Martínez de la Fé. Periodista cientifico. Editor de Tendencias 21.

Física cuántica/Tiempo/Medición de tiempo/Estructura/Investigación /Filosofía.