La teoría especial de la relatividad, publicada en 1905 por Einstein y una importante generalización de varias hipótesis anteriores, es una de las más resonantes y discutidas en física.
De hecho, es difícil imaginar que cuando un objeto se mueve a una velocidad cercana a la de la luz, los procesos físicos comienzan a ocurrir de una manera completamente inusual: su longitud disminuye, su masa aumenta y el tiempo se ralentiza. Inmediatamente después de la publicación comenzaron los intentos de desacreditar la teoría, que continúan hoy, aunque han pasado más de cien años. Esto no es sorprendente, porque la cuestión de qué hora es ha preocupado a la humanidad durante mucho tiempo y ha atraído la atención de todos.
Qué es el relativismo
La esencia de la mecánica relativista (también es la teoría especial de la relatividad, en lo sucesivo denominada SRT) y su diferencia con la mecánica clásica se expresa vívidamente en la traducción directa de su nombre: latín relativus significa "relativo". SRT postula la inevitabilidad de la dilatación del tiempo para un objeto a medida que se mueve en relación con un observador.
La diferenciade esta teoría, propuesta por Albert Einstein, de la mecánica newtoniana y radica en el hecho de que todos los procesos en curso sólo pueden considerarse en relación unos con otros o con algún observador externo. Antes de describir qué es la dilatación relativista del tiempo, es necesario profundizar un poco en la cuestión de la formación de la teoría y determinar por qué su formulación se volvió posible e incluso obligatoria.
Los orígenes de la relatividad
A fines del siglo XIX, los científicos llegaron a comprender que algunos datos experimentales no encajan en la imagen del mundo basada en la mecánica clásica.
Las contradicciones fundamentales dieron como resultado los intentos de combinar la mecánica de Newton con las ecuaciones de Maxwell que describen el movimiento de las ondas electromagnéticas en el vacío y en medios continuos. Ya se sabía que la luz es solo una onda de este tipo, y debería considerarse dentro del marco de la electrodinámica, pero era extremadamente problemático discutir con la mecánica visual y, lo que es más importante, con el tiempo.
La contradicción, sin embargo, era obvia. Supongamos que se fija una linterna frente a un tren en movimiento, que alumbra hacia adelante. Según Newton, las velocidades del tren y la luz que sale de la linterna deben sumar. Las ecuaciones de Maxwell en esta situación hipotética simplemente "se rompieron". Se necesitaba un enfoque completamente nuevo.
Relatividad Especial
Sería incorrecto creer que Einstein inventó la teoría de la relatividad. De hecho, recurrió a los trabajos e hipótesis de científicos que trabajaron antes que él. Sin embargo, el autor se acercópregunta por otro lado y en lugar de la mecánica de Newton reconoció las ecuaciones de Maxwell como "a priori correctas".
Además del famoso principio de la relatividad (de hecho, formulado por Galileo, sin embargo, dentro del marco de la mecánica clásica), este enfoque llevó a Einstein a una declaración interesante: la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia. Y es esta conclusión la que nos permite hablar de la posibilidad de cambiar los estándares de tiempo cuando el objeto se mueve.
Constancia de la velocidad de la luz
Parecería que la afirmación "la velocidad de la luz es constante" no es sorprendente. Pero trata de imaginar que estás parado y observando cómo la luz se aleja de ti a una velocidad fija. Sigues el rayo, pero continúa alejándose de ti exactamente a la misma velocidad. Además, al dar la vuelta y volar en la dirección opuesta al rayo, ¡no cambiarán la velocidad de la distancia que los separa de ninguna manera!
¿Cómo es esto posible? Aquí comienza la conversación sobre el efecto relativista de la dilatación del tiempo. ¿Interesante? ¡Entonces sigue leyendo!
Dilatación del tiempo relativista según Einstein
Cuando la velocidad de un objeto se acerca a la velocidad de la luz, el tiempo interno del objeto se calcula para reducir la velocidad. Si asumimos que una persona se mueve paralelamente al rayo de sol con una velocidad similar, el tiempo para él dejará de correr. Existe una fórmula para la dilatación relativista del tiempo, que refleja su relación con la velocidad de un objeto.
Sin embargo, al estudiar este tema, se debe recordar que ningún cuerpo con masa puede alcanzar teóricamente la velocidad de la luz.
Paradojas relacionadas con la teoría
La relatividad especial es un trabajo científico y no es fácil de entender. Sin embargo, el interés público por la pregunta de qué hora es regularmente da lugar a ideas que a nivel cotidiano parecen paradojas insolubles. Por ejemplo, el siguiente ejemplo desconcierta a la mayoría de las personas que conocen SRT sin ningún conocimiento de física.
Hay dos aviones, uno de los cuales vuela en línea recta, y el segundo despega y, habiendo descrito un arco a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, alcanza al primero. Como era de esperar, resulta que el tiempo para el segundo aparato (que voló casi a la velocidad de la luz) pasó más lentamente que para el primero. Sin embargo, de acuerdo con el postulado SRT, los marcos de referencia para ambas aeronaves son iguales. Esto significa que el tiempo puede pasar más lento tanto para uno como para otro dispositivo. Parecería que esto es un callejón sin salida. Pero…
Resolviendo paradojas
De hecho, la fuente de este tipo de paradojas es un malentendido del mecanismo de la teoría. Esta contradicción se puede resolver mediante un conocido experimento especulativo.
Tenemos un cobertizo con dos puertas que forman un pasaje y un poste un poco más largo que el largo del cobertizo. Si estiramos el poste de puerta en puerta, no podrán cerrarse o simplemente romperán nuestro poste. Si el poste, volando hacia el granero,tendrá una velocidad cercana a la velocidad de la luz, su longitud disminuirá (recuerde: un objeto que se mueve a la velocidad de la luz tendrá una longitud de cero), y en el momento en que esté dentro del granero, podemos cerrar y abrir el puertas sin romper nuestros accesorios.
Por otro lado, como en el ejemplo del avión, es el granero el que debe disminuir en relación con el poste. La paradoja se repite y, al parecer, no hay salida: ambos objetos se reducen sincrónicamente en longitud. Sin embargo, recuerda que todo es relativo, y resuelve el problema cambiando la hora.
Relatividad de la simultaneidad
Cuando el borde delantero del poste esté dentro, frente a la puerta principal, podemos cerrarlo y abrirlo, y en el momento en que el poste vuele completamente dentro del cobertizo, haremos lo mismo con la parte trasera puerta. Parecería que no lo estamos haciendo al mismo tiempo, y el experimento falló, pero aquí resulta lo principal: de acuerdo con la teoría de la relatividad especial, los momentos de cierre de ambas puertas están ubicados en el mismo punto en el eje de tiempo.
Esto sucede porque los eventos que ocurren simultáneamente en un marco de referencia no serán simultáneos en otro. La dilatación relativista del tiempo se manifiesta en la relación de los objetos, y volvemos a la generalización absolutamente cotidiana de la teoría de Einstein: todo es relativo.
Hay un detalle más: la igualdad de sistemas de referencia es relevante en SRT, cuando ambos objetos se mueven de manera uniforme y rectilínea. Tan pronto como uno de los cuerpos comienza a acelerar o desacelerar, su marco de referencia se vuelve único.posible.
Paradoja de los gemelos
La paradoja más famosa que explica la dilatación del tiempo relativista "de una manera simple" es un experimento mental con dos hermanos gemelos. Uno de ellos se va volando en una nave espacial a una velocidad cercana a la de la luz, mientras que el otro permanece en el suelo. Al regresar, el hermano astronauta descubre que él mismo ha envejecido 10 años, y su hermano, que se quedó en casa, ha envejecido hasta 20.
El panorama general ya debería estar claro para el lector a partir de las explicaciones anteriores: para el hermano en la nave espacial, el tiempo se ralentiza porque su velocidad es cercana a la velocidad de la luz; no podemos aceptar el marco de referencia relativo al hermano en tierra, ya que resultará ser no inercial (solo un hermano experimenta sobrecargas).
Me gustaría señalar algo más: no importa qué grado alcancen los oponentes en la disputa, el hecho permanece: el tiempo en su valor absoluto permanece constante. No importa cuántos años vuele un hermano en una nave espacial, seguirá envejeciendo exactamente al mismo ritmo que pasa el tiempo en su marco de referencia, y el segundo hermano envejecerá exactamente al mismo ritmo; la diferencia se revelará solo cuando se encuentran, y en ningún otro caso.
Dilatación del tiempo por gravedad
En conclusión, cabe señalar que existe un segundo tipo de dilatación del tiempo, ya asociado a la teoría general de la relatividad.
Incluso en el siglo XVIII, Mitchell predijo la existencia del rojodesplazamiento, lo que significa que cuando un objeto se mueve entre áreas con gravedad fuerte y débil, el tiempo para ello cambiará. A pesar de los intentos de estudiar el tema por parte de Laplace y Zoldner, solo Einstein presentó un trabajo completo sobre este tema en 1911.
Este efecto no es menos interesante que la dilatación del tiempo relativista, pero requiere un estudio por separado. Y eso, como dicen, es una historia completamente diferente.
