La teoría especial de la relatividad, que a principios del siglo pasado anuló las ideas generalmente aceptadas sobre el mundo, aún continúa excitando la mente y el corazón de la gente. Hoy intentaremos averiguar juntos qué es.
En 1905, Albert Einstein publicó la Teoría Especial de la Relatividad (STR), que explicaba cómo interpretar el movimiento entre diferentes marcos de referencia inerciales; en pocas palabras, objetos que se mueven a una velocidad constante entre sí.
Einstein explicó que cuando dos objetos se mueven a una velocidad constante, uno debe considerar su movimiento en relación con el otro, en lugar de aceptar uno de ellos como un marco de referencia absoluto.
Entonces, si dos astronautas, tú y, digamos, Herman, están volando en dos naves espaciales y quieren comparar sus observaciones, lo único que necesita saber es su velocidad relativa entre sí.
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La relatividad especial considera solo un caso especial (de ahí el nombre), cuando el movimiento es rectilíneo y uniforme. Si un cuerpo material acelera o se desvía, las leyes SRT ya no funcionan. Entonces entra en vigor la teoría general de la relatividad (GTR), que explica los movimientos de los cuerpos materiales en el caso general.
La teoría de Einstein se basa en dos principios básicos:
1. El principio de relatividad: las leyes físicas se conservan incluso para los cuerpos que son marcos de referencia inerciales, es decir, que se mueven a una velocidad constante entre sí.
2. El principio de la velocidad de la luz: la velocidad de la luz permanece invariable para todos los observadores, independientemente de su velocidad en relación con la fuente de luz. (Los físicos denotan la velocidad de la luz con la letra c).
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Una de las razones del éxito de Albert Einstein es que puso los datos experimentales por encima de los teóricos. Cuando una serie de experimentos reveló resultados que contradecían la teoría generalmente aceptada, muchos físicos decidieron que estos experimentos estaban equivocados.
Albert Einstein fue uno de los primeros que decidió construir una nueva teoría basada en nuevos datos experimentales.
A finales del siglo IX, los físicos buscaban un éter misterioso, un medio en el que, según suposiciones generalmente aceptadas, las ondas de luz deberían propagarse, como las ondas acústicas, para las que se necesita el aire para propagarse, u otro medio: sólido, líquido o gaseoso. La creencia en la existencia del éter ha llevado a creer que la velocidad de la luz debe cambiar dependiendo de la velocidad del observador en relación con el éter.
Albert Einstein abandonó el concepto de éter y sugirió que todas las leyes físicas, incluida la velocidad de la luz, permanecen sin cambios independientemente de la velocidad del observador, como han demostrado los experimentos.
Homogeneidad de espacio y tiempo
El SRT de Einstein postula una relación fundamental entre el espacio y el tiempo. El Universo Material, como saben, tiene tres dimensiones espaciales: arriba-abajo, derecha-izquierda y adelante-atrás. Se le agrega una dimensión más: temporal. Juntas, estas cuatro dimensiones forman el continuo espacio-tiempo.
Si se mueve a alta velocidad, sus observaciones en relación con el espacio y el tiempo serán diferentes de las de otras personas que se mueven a menor velocidad.
La siguiente imagen muestra un experimento mental para ayudarlo a comprender esta idea. Imagina que estás en una nave espacial, sosteniendo un láser en tus manos, con la ayuda del cual envías rayos de luz al techo en el que se fija un espejo. La luz, reflejada, cae sobre el detector, que los registra.
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Arriba: envió un rayo de luz al techo, se reflejó y cayó verticalmente sobre el detector. Abajo: para Herman, su haz de luz se mueve en diagonal hacia el techo y luego en diagonal hacia el detector.
Arriba: envió un rayo de luz al techo, se reflejó y cayó verticalmente sobre el detector. Abajo: para Herman, su haz de luz se mueve en diagonal hacia el techo y luego en diagonal hacia el detector.
Digamos que su nave se mueve a una velocidad constante igual a la mitad de la velocidad de la luz (0.5c). Según el SRT de Einstein, no te importa, ni siquiera notas tu movimiento.
Sin embargo, Herman, mirándote desde una nave espacial en reposo, verá una imagen completamente diferente. Desde su punto de vista, el rayo de luz viajará en diagonal al espejo del techo, se reflejará en él y caerá en diagonal sobre el detector.
En otras palabras, la trayectoria del haz de luz se verá diferente para usted y para Herman y su longitud será diferente. Por lo tanto, el tiempo que tarda el rayo láser en recorrer la distancia hasta el espejo y el detector le parecerá diferente.
Este fenómeno se llama dilatación del tiempo: el tiempo en una nave espacial que se mueve a gran velocidad, desde el punto de vista de un observador en la Tierra, fluye mucho más lento.
Este ejemplo, como muchos otros, demuestra claramente el vínculo inextricable entre el espacio y el tiempo. Esta conexión se manifiesta claramente al observador solo cuando se trata de altas velocidades, cercanas a la velocidad de la luz.
Los experimentos desde que Einstein publicó su gran teoría han confirmado que el espacio y el tiempo en realidad se perciben de manera diferente dependiendo de la velocidad de movimiento de los objetos.
Combinando masa y energía
En su famoso artículo publicado en 1905, Einstein combinó masa y energía en una fórmula simple que todos los estudiantes conocen desde entonces: E = mc².
Según la teoría del gran físico, cuando la velocidad de un cuerpo material aumenta, acercándose a la velocidad de la luz, también aumenta su masa. Aquellos. cuanto más rápido se mueve el objeto, más pesado se vuelve. En el caso de alcanzar la velocidad de la luz, la masa del cuerpo, así como su energía, se vuelven infinitas. Cuanto más pesado es el cuerpo, más difícil es aumentar su velocidad; se necesita una cantidad infinita de energía para acelerar un cuerpo con masa infinita, por lo que es imposible que los objetos materiales alcancen la velocidad de la luz.
Antes de Einstein, los conceptos de masa y energía en física se consideraban por separado. El brillante científico demostró que la ley de conservación de la masa, como la ley de conservación de la energía, son parte de una ley más general de masa-energía.
Debido a la conexión fundamental entre estos dos conceptos, la materia se puede convertir en energía y viceversa, la energía en materia.
