La teoría especial de la relatividad, propuesta por Albert Einstein en 1905, es una de las teorías más influyentes en el campo de la física teórica y práctica del siglo XX. Cualquier físico lo sabe, pero ¿cómo explicarlo a los que no tienen nada que ver con la ciencia? ¿Hay cosas y fenómenos observados en la vida cotidiana que puedan demostrar esta teoría revolucionaria en acción?
Teoría de la relatividad
Formulada por Albert Einstein en 1905, la teoría científica de la relatividad sugiere que:
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- todos los procesos físicos proceden de la misma manera en todas partes, y las leyes de la física se observan en cualquier entorno;
- existe una velocidad máxima de propagación de interacciones que no puede superar la velocidad de la luz;
- el espacio y el tiempo son homogéneos.
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La teoría explica el comportamiento de varios objetos en el espacio-tiempo, lo que permite predecir todo, desde la existencia de agujeros negros, en los que el propio Einstein no podía creer, hasta las ondas gravitacionales. La relatividad parece engañosamente simple, pero no es del todo cierto.
Influencia de la teoría de la relatividad
La teoría de la relatividad explica no solo fenómenos tan asombrosos como las ondas gravitacionales y los agujeros negros, sino también cómo el espacio-tiempo se percibe de manera diferente según la velocidad y la dirección del movimiento de los objetos.
Si la velocidad de la luz es siempre constante, esto significa que para un astronauta que se mueve muy rápidamente en relación con la Tierra, los segundos pasan más lentamente que para un observador de la Tierra. Básicamente, el tiempo se está desacelerando para el astronauta.
Pero no necesariamente necesitamos una nave espacial para observar varios efectos relativistas. De hecho, hay muchos casos en los que la teoría de la relatividad especial, diseñada para mejorar la mecánica newtoniana, se manifiesta en nuestra vida diaria y en las tecnologías que usamos habitualmente.
Electricidad
El magnetismo es un efecto relativista, y si usas electricidad puedes agradecer a la relatividad por hacer funcionar los generadores.
Si toma un conductor y lo expone a un campo magnético, se genera una corriente eléctrica. Las partículas cargadas en un conductor están expuestas a un campo magnético cambiante, lo que las obliga a moverse y crea una corriente eléctrica.
Electroimanes
El trabajo de los electroimanes también está perfectamente explicado por la teoría de la relatividad. Cuando una corriente continua de carga eléctrica pasa a través de un cable, los electrones que contiene se desplazan. Por lo general, el cable parece ser eléctricamente neutro, sin carga positiva o negativa. Esto es consecuencia de la presencia en él del mismo número de protones (cargas positivas) y electrones (cargas negativas). Pero si coloca otro cable junto a él con un flujo directo de electricidad, los cables se atraen o se repelen, dependiendo de la dirección en la que se mueve la corriente en el cable.
Si la corriente se mueve en la misma dirección, los electrones del primer cable "perciben" los electrones del segundo cable como estacionarios (si la carga eléctrica es de la misma fuerza). Mientras tanto, en términos de electrones, los protones de ambos cables están en movimiento. Debido al acortamiento relativista de la longitud, parecen estar ubicados más cerca entre sí, por lo que, a lo largo de toda la longitud del cable, hay más carga positiva que negativa. Dado que las mismas cargas son repelidas, también lo son los dos cables.
La corriente que viaja en direcciones opuestas hace que los conductores se atraigan.
Sistema de Posicionamiento Global
Para una navegación GPS más precisa, los satélites deben tener en cuenta los efectos relativistas. Esto se debe al hecho de que, a pesar de que los satélites se mueven mucho más lento que su velocidad máxima, todavía se mueven lo suficientemente rápido. Los satélites envían sus señales a las estaciones terrestres. Ellos, como los navegadores GPS de automóviles, teléfonos inteligentes y otros dispositivos, experimentan una mayor aceleración debido a la gravedad que los satélites en órbita.
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Para lograr una precisión perfecta, los satélites se basan en relojes súper precisos para medir los tiempos en nanosegundos (mil millonésimas de segundo). Dado que cada satélite está a 20.300 kilómetros sobre la Tierra y viaja allí a unos 10.000 kilómetros por hora, hay una diferencia de tiempo relativista de unos cuatro microsegundos por día. Agregue gravedad a la ecuación y el número aumenta a aproximadamente siete microsegundos. Esto es alrededor de 7 mil nanosegundos.
La diferencia es bastante grande: si no se tuvieran en cuenta los efectos relativistas, el navegador GPS se equivocaría en casi 8 kilómetros el primer día.
Noble color de oro
Los metales aparecen brillantes porque los electrones en sus átomos se mueven entre diferentes niveles de energía u orbitales. Algunos fotones de luz que inciden sobre una superficie metálica son absorbidos y luego emitidos por una onda de luz más larga. La mayoría de los rayos de luz visible simplemente se reflejan.
El átomo de oro es muy pesado, por lo que los electrones en el núcleo se mueven lo suficientemente rápido, lo que resulta en un aumento relativo significativo de masa. Como resultado, los electrones giran alrededor del núcleo en una órbita más corta con más impulso. Los electrones en los orbitales internos llevan una carga que coincide aproximadamente con la carga de los electrones externos, respectivamente, la luz absorbida y reflejada se caracteriza por una onda más larga.
Las longitudes de onda de luz más largas significan que parte de la luz visible que normalmente se reflejaría ha sido absorbida por los átomos, y esa parte se encuentra en el extremo azul del espectro. Esto significa que la luz reflejada y emitida por el oro está más cerca del espectro de longitud de onda más larga, es decir, tiene más amarillo, naranja y rojo, y casi nada de azul y violeta de onda corta.
El oro es virtualmente indestructible
El efecto relativista que se observa en los electrones del oro también es la razón por la que el metal no se corroe y reacciona mal con otros elementos.
El oro tiene solo un electrón en la capa externa de electrones, pero a pesar de esto, es incluso menos activo que el calcio o el litio, que tienen una estructura similar. Los electrones del oro son más pesados y, por lo tanto, se encuentran más cerca del núcleo del átomo. Esto significa que el electrón externo más distante, muy probablemente, estará entre los electrones "propios" en la capa interna, que comenzará a reaccionar con los electrones externos de otro elemento.
Estado líquido del mercurio
Como el oro, el mercurio también presenta átomos pesados con electrones orbitando cerca del núcleo. De ahí sigue un aumento relativo en la velocidad y la masa debido a una reducción en la distancia entre el núcleo y la partícula cargada.
Los enlaces entre los átomos de mercurio son tan débiles que el mercurio se derrite a temperaturas más bajas que otros metales, y generalmente es líquido en la mayoría de los casos que se observa en la vida cotidiana.
Televisores y monitores antiguos
No hace mucho tiempo, la mayoría de los televisores y monitores eran dispositivos de rayos catódicos. Un tubo de rayos catódicos es un dispositivo que reproduce una imagen óptica disparando electrones en haces o haces de rayos sobre una superficie luminiscente con un imán grande. Cada electrón crea un píxel iluminado cuando golpea la parte posterior de la pantalla. Los electrones se lanzan a una alta velocidad equivalente a aproximadamente el 30% de la velocidad máxima, o la velocidad de la luz.
Para que se formara una imagen óptica funcional, los electroimanes instalados en el aparato para dirigir los electrones a la parte requerida de la pantalla tenían que tener en cuenta varios efectos relativistas para no interrumpir todo el sistema.
Hope Chikanchi
