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! Ah! Cuanto por aprender.
¡Curiosamente!
