la teoría de la relatividad especial explica cómo el espacio y el tiempo están vinculados para los objetos que se mueven a una velocidad constante en una línea recta. Uno de sus aspectos más famosos se refiere a los objetos que se mueven a la velocidad de la luz.
en pocas palabras, a medida que un objeto se acerca a la velocidad de la luz, su masa se vuelve infinita y es incapaz de ir más rápido que los viajes de la luz., Este límite de Velocidad cósmica ha sido un tema de mucha discusión en la física, e incluso en la ciencia ficción, ya que la gente piensa en cómo viajar a través de grandes distancias.
La teoría de la relatividad especial fue desarrollada por Albert Einstein en 1905, y forma parte de la base de la física moderna. Después de terminar su trabajo en la relatividad especial, Einstein pasó una década reflexionando sobre lo que sucedería si se introducía la aceleración. Esto formó la base de su relatividad general, publicada en 1915.,
historia
antes de Einstein, los astrónomos (en su mayor parte) entendían el universo en términos de tres leyes del movimiento presentadas por Isaac Newton en 1686. Estas tres leyes son:
(1) Los Objetos en movimiento (o en reposo) permanecen en movimiento (o en reposo) a menos que una fuerza externa imponga un cambio.
(2) La fuerza es igual al cambio en el momento por cambio de tiempo. Para una masa constante, la fuerza es igual a masa por aceleración.
(3) Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.,
pero hubo grietas en la teoría durante décadas antes de la llegada de Einstein a la escena, según la Enciclopedia Británica. En 1865, el físico escocés James Clerk Maxwell demostró que la luz es una onda con componentes eléctricos y magnéticos, y estableció la velocidad de la luz (186.000 millas por segundo). Los científicos suponían que la luz tenía que ser transmitida a través de algún medio, al que llamaron éter. (Ahora sabemos que no se requiere ningún medio de transmisión, y que la luz en el espacio se mueve en el vacío.,)
veinte años después, un resultado inesperado puso esto en tela de juicio. El físico A. A. Michelson y el químico Edward Morley (ambos estadounidenses en ese momento) calcularon cómo el movimiento de la Tierra a través de este «éter» afectó cómo se mide la velocidad de la luz, y encontraron que la velocidad de la luz es la misma sin importar cuál sea el movimiento de la Tierra. Esto llevó a más reflexiones sobre el comportamiento de la luz — y su incongruencia con la mecánica clásica-por el físico austriaco Ernst Mach y el matemático francés Henri Poincare.
Einstein comenzó a pensar en el comportamiento de la luz cuando tenía solo 16 años, en 1895., Hizo un experimento mental, dijo la enciclopedia, donde montó en una onda de luz y miró a otra onda de luz que se movía paralela a él.
La física clásica debería decir que la onda de luz que Einstein estaba mirando tendría una velocidad relativa de cero, pero esto contradecía las ecuaciones de Maxwell que mostraban que la luz siempre tiene la misma velocidad: 186,000 millas por segundo., Otro problema con las velocidades relativas es que mostrarían que las leyes del electromagnetismo cambian dependiendo de su punto de vista, lo que contradice la física clásica también (que decía que las leyes de la física eran las mismas para todos.)
esto llevó a las reflexiones eventuales de Einstein sobre la teoría de la relatividad especial, que él descompuso en el ejemplo cotidiano de una persona de pie al lado de un tren en movimiento, comparando observaciones con una persona dentro del tren. Imaginó que el tren estaba en un punto de la vía equidistante entre dos árboles., Si un rayo golpea ambos árboles al mismo tiempo, debido al movimiento del tren, la persona en el tren vería el rayo golpear un árbol antes que el otro árbol. Pero la persona al lado de la pista vería golpes simultáneos.
«Einstein concluyó que la simultaneidad es relativa; los eventos que son simultáneos para un observador pueden no ser para otro», declaró la enciclopedia. «Esto le llevó a la idea contraintuitiva de que el tiempo fluye de manera diferente según el estado de movimiento, y a la conclusión de que la distancia también es relativa.,»
famosa ecuación
El trabajo de Einstein llevó a algunos resultados sorprendentes, que hoy en día todavía parecen contradictorios a primera vista, a pesar de que su física generalmente se introduce en el nivel de la escuela secundaria.
Una de las ecuaciones más famosas en matemáticas proviene de la relatividad especial., La ecuación-E = mc2-significa » energía es igual a masa por la velocidad de la luz al cuadrado.»Muestra que la energía (E) y la masa (m) son intercambiables; son formas diferentes de la misma cosa. Si la masa de alguna manera se convierte totalmente en energía, también muestra cuánta energía residiría dentro de esa masa: bastante. (Esta ecuación es una de las demostraciones de por qué una bomba atómica es tan poderosa, una vez que su masa se convierte en una explosión.)
esta ecuación también muestra que la masa aumenta con la velocidad, lo que efectivamente pone un límite de velocidad en la velocidad con la que las cosas pueden moverse en el universo., En pocas palabras, la velocidad de la luz (c) es la velocidad más rápida a la que un objeto puede viajar en el vacío. A medida que un objeto se mueve, su masa también aumenta. Cerca de la velocidad de la luz, la masa es tan alta que alcanza el infinito, y requeriría energía infinita para moverla, lo que limita la velocidad con la que un objeto puede moverse. La única razón por la que la luz se mueve a la velocidad que lo hace es porque los fotones, las partículas cuánticas que componen la luz, tienen una masa de cero.,
una situación especial en el universo de lo pequeño, llamada «entrelazamiento cuántico», es confusa porque parece involucrar partículas cuánticas que interactúan entre sí a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz. Específicamente, la medición de la propiedad de una partícula puede decirle instantáneamente la propiedad de otra partícula, sin importar cuán lejos estén. Mucho se ha escrito sobre este fenómeno, que todavía no se explica completamente en términos de las conclusiones de Einstein.
otra extraña conclusión del trabajo de Einstein proviene de la comprensión de que el tiempo se mueve en relación con el observador., Un objeto en movimiento experimenta dilatación del tiempo, lo que significa que el tiempo se mueve más lentamente cuando uno se está moviendo, que cuando uno está parado. Por lo tanto, una persona que se mueve envejece más lentamente que una persona en reposo. Así que sí, cuando el astronauta Scott Kelly pasó casi un año a bordo de la Estación Espacial Internacional en 2015-16, su hermano astronauta gemelo Mark Kelly envejeció un poco más rápido que Scott.
esto se hace extremadamente evidente a velocidades que se acercan a la velocidad de la luz. Imagine a un niño de 15 años viajando al 99.5 por ciento de la velocidad de la luz durante cinco años (desde la perspectiva del astronauta)., Cuando el joven de 15 años regrese a la tierra, según la NASA, solo tendría 20 años. Sus compañeros de clase, sin embargo, tendrían 65 años.
si bien esta dilatación de tiempo suena muy teórica, también tiene aplicaciones prácticas. Si usted tiene un receptor de Posicionamiento Global por satélite (GPS) en su coche, el receptor intenta encontrar señales de al menos tres satélites para coordinar su posición. Los satélites GPS envían señales de radio cronometradas que el receptor escucha, triangulando (o más correctamente hablando, trilaterando) su posición basada en el tiempo de viaje de las señales., El desafío es que los relojes atómicos en el GPS se están moviendo y, por lo tanto, correrían más rápido que los relojes atómicos en la Tierra, creando problemas de sincronización. Por lo tanto, los ingenieros necesitan hacer que los relojes de un GPS marquen más lento, según Richard Pogge, astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio.
Los relojes en el espacio marcan más rápido, de acuerdo con Physics Central, porque los satélites GPS están por encima de la Tierra y experimentan una gravedad más débil., Así que a pesar de que los satélites GPS se están moviendo y experimentan una desaceleración de siete microsegundos todos los días debido a su movimiento, el resultado de la gravedad más débil hace que los relojes marquen unos 45 microsegundos más rápido que un reloj basado en tierra. Sumando los dos resultados juntos en el reloj del satélite GPS tictac más rápido que un reloj basado en tierra, en unos 38 microsegundos diarios.
relatividad especial y mecánica cuántica
a medida que nuestro conocimiento de la física ha avanzado, los científicos se han encontrado con situaciones más contradictorias., Uno está tratando de reconciliar la relatividad general, que describe bien lo que sucede con los objetos grandes, con la mecánica cuántica, que se usa mejor para cosas muy pequeñas (como la desintegración del átomo de uranio). Los dos campos, que describen excelentemente sus campos individuales, son incompatibles entre sí, lo que frustró a Einstein y a generaciones de científicos después de él.
«la relatividad da respuestas sin sentido cuando tratas de reducirla al tamaño cuántico, eventualmente descendiendo a valores infinitos en su descripción de la gravedad., Del mismo modo, la mecánica cuántica se encuentra en serios problemas cuando la explota a dimensiones cósmicas», señaló un artículo en The Guardian en 2015.
» Los campos cuánticos llevan una cierta cantidad de energía, incluso en un espacio aparentemente vacío, y la cantidad de energía se hace más grande a medida que los campos se hacen más grandes. Según Einstein, la energía y la masa son equivalentes (ese es el mensaje de E = mc2), por lo que acumular energía es exactamente como acumular masa. Ve lo suficientemente grande, y la cantidad de energía en los campos cuánticos se vuelve tan grande que crea un agujero negro que hace que el universo se pliegue sobre sí mismo. Oops.,»
Hay varias ideas para superar esto (que están más allá del alcance de este artículo), pero un enfoque es imaginar una teoría cuántica de la gravedad que tendría una partícula sin masa (llamada gravitón) para generar la fuerza. Pero como el físico Dave Goldberg señaló en io9 en 2013, hay problemas con eso. En las escalas más pequeñas, los gravitones tendrían una densidad de energía infinita, creando un campo de gravedad inimaginablemente poderoso. Se requerirá más estudio para ver si esto es posible.