Las leyes de Newton funcionan a nivel planetario.
Pero no a escala universal y fueron “reemplazadas” por:
La teoría de la Relatividad de Einstein.
Que, a su vez, falla a nivel de partículas subatómicas*.
*Se dice, se comenta, se rumorea, que: “El neutrino supera la velocidad de la luz.”
Einstein era un genio, nadie lo pone en duda.
Pero tampoco hay que achacarle todos los grandes descubrimientos.El primer físico en predecir los agujeros negros fue Schwarzschild.
Resumiendo:
La teoría de la relatividad de Einstein, no es más que una distorsión del espacio-tiempo. Vamos, una divergencia en la medición, de un mismo fenómeno, descrito por dos observadores en movimiento relativo. Dado que, la velocidad de la luz no es infinita (como decía Newton).
“El universo no está sometido a ningún absoluto”
Pero…
El caso es que sí lo está.
Según la teoría de Einstein, ese absoluto (como única constante en el universo) es:
La velocidad de la luz.
Entonces…
No todo es relativo, incluso la teoría de la relatividad, se basa en un absoluto.
Expresado mi punto de vista, voy a intentar explicar (a grandes rasgos) la Teoría de la Relatividad Especial y la Teoría de la Relatividad General.
¿Qué me voy a encontrar?
- Yo también quiero hablar de la Teoría de la Relatividad
- La teoría de la Relatividad Especial
- La Teoría de la Relatividad General
- Nace la física moderna
- ¿Qué es la relatividad?
¿Un segundo, siempre es un segundo?
Y un centímetro, ¿siempre es un centímetro?
Pues sí y no.
Depende.
Cuando todos los observadores (medidores) estén dentro de un mismo sistema de referencia… Sí.
Si el sistema de referencia no está estático*, o moviéndose a velocidad constante… No.
*A ver, estático. Estático para ellos (los observadores que no reparan en el movimiento).
Yo también quiero hablar de la Teoría de la Relatividad
Durante el siglo XVIII (1861), antes de que Albert Einstein presentara su Teoría de la Relatividad, empiezan las Teorías* (y alguna hipótesis) que explicarían (o lo intentarían) lo que la física clásica no podía.
*Ecuaciones de Maxwell
No puede haber 2 leyes de movimiento
El principio de Relatividad...Desde tiempos de Galileo, pasando por Newton* hasta la entrega "final" de la saga (a manos de Einstein), con la culminación de la Relatividad general...
Dictaminaba que: "Las leyes de la física no dependían de la velocidad a la que un observador se encontrara".
Sólo se puede medir (hasta entonces) la velocidad de un objeto (o cuerpo) en relación a otro.
Pasa el tiempo y llega Maxwell.Unas leyes matemáticas que codificaban lo que (hasta ese momento) se conocía** sobre la electricidad, el magnetismo y la luz.Las leyes de Newton (vigentes durante más de 200 años) no cuadraban con las Ecuaciones de Maxwell (teoría de la velocidad y el magnetismo en 1.865).
Resumiendo:
- Newton postulaba que la luz está formada por partículas.
- Maxwell (el del electromagnetismo), la luz es una onda.
Breve repaso a lo que es electromagnetismo
- Campo eléctrico (carga eléctrica)
- Campo magnético (carga eléctrica y movimiento).
La luz no necesita "flotar" en nada
¿Para crear una onda, debe haber un medio?(Como una piedra lanzada al agua, crea ondas en su superficie, o el sonido viaja a través del aire... ¿Me sigues? pues aquí lo han llamado Éter).
¿Qué es el Éter?Nada, un invento.
Pero resulta que...
Hicieron un experimento mega chachi, sin resultados satisfacorios. Qué contrariedad, para los del éter, claro. Einstein pensó:"Las ecuaciones de Marxwell molan y tal. Pero "algo" no termina de encajar."Voy a plantear la curvatura del espacio-tiempo como una dimensión, así, por encima y todos elegirán mi teoría, ante la posibilidad de viajar en el tiempo.
- "Dos observadores, en movimiento relativo, experimentan el tiempo de diferente manera."
- "No se pueden diferenciar el movimiento, de un objeto acelerado de uno bajo el efecto de la gravedad (principio de equivalencia del que te hablo más abajo)."
- "La velocidad de la luz es una constante, independiente de nuestro movimiento. (c=cte)".
Si uso la definición de velocidad de la luz (la luz pasa a ser una onda electromagnética) ofrecida por Maxwell y la planto como una constante, invariable***Lo que pasaría a ser una variable es el espacio-tiempo (como un todo).
*Las leyes de Newton funcionan perfectamente a escala terrestre, la teoría de la relatividad especial, es totalmente incompatible con dichas leyes y con "la realidad" (donde el campo gravitatorio desempeña un papel fundamental).
A ver, la Tierra tiene campo gravitatorio, pero cosmológicamente hablando, es una minucia. Un campo gravitatorio intenso es, por ejemplo, una galaxia.
**Las leyes de Ampère, Faraday o Lenz, por fin eran unificadas.
***Basado en la existencia de ondas electromagnéticas propagándose (dependiendo del medio material) a la velocidad de la luz en dicho medio.
El Éter- La tierra se mueve a 30km/s.
- Para intentar calcular la velocidad de la luz, más la de rotación de la tierra.
- Se midió la diferencia.
- Si la tierra está estática, divides el rayo de luz en dos, rebotan en un espejo.
- Si la tierra se mueve…
- El rayo de luz, no llega a la vez.
c=cte.La velocidad de la luz es una constante, independiente de nuestro movimiento.
Sección DIY
Qué necesitamos:
- Reunir a varios Justin Bieber alternativos (de otras líneas temporales).
- Una máquina de clonar (por si no consigues un portal a otra dimensión).
- Un Justin Bieber dispuesto a entrar en ella.
- Un parque.
- Un columpio.
- Un aeropuerto (puede que dos).
- Un controlador aéreo (o algo capaz de ver y medir, desde la torre de control).
- Tres aviones (en realidad dos. Es por si falla alguno o hay que hacer más mediciones).
- Un helicóptero.
- Un helipuerto (porque puestos a pedir…).
- Cuatro pilotos.
- Un radar de mano (mejor tres, que si no va a ser un follón).
- Dos estaciones de tren (los trenes no se caracterizan por hacer trompos).
- Dos trenes.
- Chorrocientos pasajeros y observadores (los observadores pueden sustituirse por clones).
- Varias bolas de billar.
- Dos piedras (comunes).
- Dos rocas de Silencita*
- Una ventana interdimensional que permita, a un extraterrestre ingrávido, ver lo que vamos a hacer en este universo.
- Un extraterrestre aburrido (que conozca el sistema decimal).
- Un telescopio alienígena.
- Una forma de que nos corrobore (en tiempo terrestre) lo que está viendo.
*La Silencita es un material que tuve a bien descubrir tras experimentar con plastilina. (Adquiere propiedades cuasi mágicas. En este caso, una condensación de masa brutal).
Los Justin ni se crean ni se destruyen, ¿se transforman?
No
Los Justin los pinto y borro, mientras el universo sigue a su bola.
- Cogemos el primer avión
- Lo hacemos volar
Ahora, cogemos dos Justin (clones o de universos alternativos).
- Comprobamos que cada uno de ellos, verá el avión moverse en diferentes direcciones
Porque el movimiento no es lineal, es relativo al punto de observación.
Vídeo chorra explicativo, que te puedes saltar
El espacio es subjetivo
- Si añadimos un tercer Justin, que va montado en el avión, para él, el que se aleja es el Justin (con los pies en la Tierra) y se lleva el suelo.
- Ahora añadamos a un cuarto Justin, que va montado en otro avión…
Por lo que tenemos un Justin a velocidad normal y otro que se hace pis.
La velocidad es relativa
Desde sus respectivas posiciones.
- Un quinto observador, que va en un helicóptero
- Un sexto observador, desde la torre de control
- Un séptimo observador: Tú.
Que, además de estar flipándola con que pueda usar imágenes de famosetes para mis pelis mudas…
Estás viendo un avión estático, con dos Justin Bieber estáticos, desde tu pantalla, también estática.
Pero…
Nada está estático
- Y, si un octavo
pasajeroobservador, un hipotético extraterrestre que, sí se encuentra estático en su planeta sin órbita (muy hipotético todo), armado con un megahipergigatelescopio, entrase en escena…
Vería cómo:
- Los aviones
- Los Junstin Bieber
- El helicóptero
- El aeropuerto
- Tu pantalla
- Tu dispositivo
- Y tú mismo
Os estáis moviendo a la friolera de 1,700 km/hora, que es la velocidad a la que rota la tierra (como bien sabrás a estas alturas).
La Relatividad de Galileo
Cumple con las leyes de Newton:
Si un objeto se desplaza dentro de otro objeto en movimiento, su velocidad será sumada.
Las leyes de la física
Coinciden, siempre y cuando el sistema de referencia, sea el mismo e inercial.
Vamos, que ambos sistemas se mueven a una velocidad constante.
- Isaac Newton es de las leyes del movimiento " la ley de la atracción universal"
- Albert Einstein es el de la "teoría de la relatividad", basada en el movimiento, el tiempo, la velocidad y el espacio.
Me he aburrido de mover avioncitos…
Ahora pondré un tren (y, de paso, no me pasaré por el arco del triunfo la disparidad entre un vehículo terrestre y uno aéreo).
Ahora sacamos también las bolas de billar a experimentar.
Veremos qué ocurre si…
- La bola está en la mano de Justin, o su bolsillo
Pero también…
- Si Justin la deja caer, sin impulso
Y, qué ocurre cuando lanza una bola de billar (a 10 km/h) por el pasillo de un tren a velocidad constante (10 km/h), pueden pasar varias cosas:
- Que la lance hacia delante.
- Que lo haga hacia atrás.
- Que la bola impacte contra algo (o alguien) perdiendo su trayectoria y obligando a Justin a repetir.
- Que la bola salga por la ventanilla del tren.
- Que Justin tenga que salir del tren.
Y ahora unos dibujos animados, con nuestros Justin, para que se entienda mejor.
- La bola de billar en la mano y/o bolsillo.
Si está de pie (o sentado), la bola se moverá (como todo lo que contenga el tren) a la velocidad del tren (en este caso 10 km/h).
- Para el vagón: No se mueve
- Para la estación: Sí lo hace, a la velocidad del tren
- Si la lanzas (a 10 km/h) hacia delante.
La bola alcanzará la velocidad de tren, más la velocidad del impulso durante un breve instante en el tiempo “relativo”.
- Para los observadores del vagón: La bola irá a 10 km/h en la dirección de lanzamiento
- Para los de la estación: La bola irá a 20 km/h, porque es la velocidad del tren más de lanzamiento.
- Si la dejas caer en vertical.
La bola se seguirá moviendo a 10 km/h (que es la velocidad del tren), aunque para los que están en el vagón, no habrá avanzado (distancia).
- Desde el vagón: La bola cayó en vertical, sin recorrer ninguna distancia (arriba y abajo no se consideran distancias).
- Desde la estación: La bola habrá recorrido 10 metros, a una velocidad de 10 km/h. No habrá caído en línea recta, sino en diagonal. Porque mientras estaba en “caída libre” el tren se estaba moviendo. Ergo… Sí había fuerzas.
- La velocidad de impacto, dependerá de si lo hace en el interior del tren o no.
- Todo esto, en el instante de la observación (para el Justin Bieber de la estación).
La bola en dirección contraria a la marcha
Volvemos al primer lanzamiento.
- Esta vez en dirección contraria a la marcha.
Justin, desde el otro extremo del vagón, lanza la bola hacia detrás.
A una velocidad de 10 Km/h.
Aquí te dejo un vídeo fantástico de “Cazadores de Mitos”, donde lo verás mejor que con mis animaciones cutres.
Ojo, que hay ¡¡hasta un cañón!!
El tren va cogiendo velocidad
Y los pasajeros…
¿Seguirían observando una bola a 10 km/h, en dirección contraria?
No.
Porque la aceleración constante del tren (hacia delante) ejerce “una fuerza” que “ayudaría” a la bola a superar su velocidad de inicio (10km/h).
*La inercia: una “fuerza” de resistencia a los cambios de movimiento. (Según la 1ª Ley de Newton).
Por ejemplo, cuando estás montado en un tren y éste acelera, notas que una “fuerza” tira de tu cuerpo (masa) hacia atrás (en dirección contraria a la marcha).
- Lo puedes notar sentado, cuando tu cuerpo se pega al respaldo.
- De pie, perdiendo el equilibrio.
- O viendo a Justin “casi caerse de culo” en el vídeo de arriba.
Según la 1ª Ley de Newton:
La inercia es una “fuerza” de resistencia a los cambios de movimiento.
- Cuando tú lanzas una bola de billar dentro de un tren (en movimiento), lo más probable es que se estampe contra algo o alguien.
Con el lanzamiento, la bola, se carga de energía cinética (que va acumulando durante su “vuelo”) y la descarga al estrellarse contra…
Formando nuevas “partículas” y modificando el entorno contra el que impactó (un chichón, un abollón en la pared, una ventanilla rota…)
La energía concentrada se puede convertir en masa
Por ejemplo, al chocar partículas (en un entrorno controlado, como el acelerador de Ginebra), creamos masa a partir de energía (nuevas partículas).
La energía nuclear es su némesis.
Una central nuclear lo que hace es crear energía a partir de masa.
Pero, ¿qué pasa con los faros del tren?
V del tren + V de la luz = ¿?
¿140 km/h + 300.000 km/s = Velocidad de la luz de los faros?
¡¡No!!
La Velocidad de la Luz (c) es una constante, no se puede acelerar.
La luz emitida por sus faros, no cumple la relatividad de Galileo.
Ni con las ecuaciones de Maxwell.
La luz no permanecería estática, ni en un tren (a 300.000 km/s), en dirección contraria.
(Como ocurría con la bola de billar al ser lanzada en dirección contraria, a la misma velocidad del tren).
La relatividad especial
Aunque el tren viajase a 0,96/c (c es la velocidad de la luz), obtendríamos una dilatación temporal bastante notoria.Habría dilatación temporal, incluso si sólo se alcanzara 0,5/c.
Resumiendo:
Cualquier velocidad (menor que c y, en movimiento rectilíneo uniforme) provocará una dilatación en el tiempo.
¡Qué contrariedad!
Porque, según Einstein:
“NADA* puede superar la velocidad de la luz”
Entonces, tenemos la Velocidad de tren más la Velocidad de la luz del faro pero, el resultado SIEMPRE será igual a la velocidad de la luz.
*Nada empieza con “N” de Neutrino. Ahí lo dejo.
Para Newton:
“La gravedad actúa de forma instantánea a cualquier distancia.”
Esto quiere decir que si el Sol desapareciera…
Los planetas del sistema solar abandonarían, de forma instantánea, la trayectoria orbital y, se irían alejando en el sentido de su movimiento inercial (sin fuerzas).
Pero, el efecto gravitatorio no viaja a una velocidad infinita.
Como tampoco lo hace la luz.
Entonces, para que (desde aquí) se dejase de ver la luz solar, deberían pasar 8 minutos, que es lo que tarda la luz en recorrer los 150.000.000 de kilómetros que hay del Sol a la Tierra.
Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz.
Por lo que para sacarnos de órbita, nos debería alcanzar la perturbación (onda) que se formaría al desaparecer la masa y energía del Sol (que curvaba el espacio-tiempo).
Parafraseando a la Jurado…
“Como una ola.”
*Para representar la curvatura del espacio-tiempo se suele visualizar un tejido, una especie de sábana, red o malla.
- Que sujeta el universo (en dos dimensiones).
- Que se hunde por efecto de la gravedad.
Pero es una representación gráfica muy simplificada.
- La materia curva al espacio.
- El espacio controla el movimiento.
La teoría de la Relatividad Especial
Hasta ese momento nos apañábamos con los sistemas de referencia inerciales (sistemas que se mueven a velocidad constante uno con respecto a otro), cumpliendo con las leyes clásicas de Newton y las leyes de conservación que, aunque no explicaba el movimiento a velocidades próximas a la de la luz… Nos servía (y sirve) para el día a día.
1.905
Tras percibir ciertas incoherencias en la dinámica de la luz, con respecto a las leyes de la física….
Albert Einstein formula “La teoría de la relatividad especial“
Que deja loco al mundo (en general) y a la comunidad científica (en particular), explicando que:
Espacio y tiempo son variables, dentro de una conjunción espacio-temporal (la velocidad).
En la que no se considera la gravedad como causante de que se curve el espacio-tiempo.
Un mundo sin tiempo ni gravedad (aceleración), que entraba en conflicto con la ley de la Gravitación universal, de Newton:
“La fuerza entre dos cuerpos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.”
Sí.
La distancia…
Pero ¿qué distancia?
Porque la distancia es relativa al punto de medición.
Resumiendo:
La Teoría de la Relatividad especial:
Reescribe todo lo referente al movimiento y su soporte (el espacio-tiempo).
El tiempo depende del movimiento y la intensidad del campo gravitatorio.
Masa y energía son intercambiables.
Puedes crear energía a partir de masa y puedes generar masa a partir de energía.
- Una teoría del movimiento válida para cualquier observador.
“Leyes” independientes de los movimientos inerciales (sin aceleración, sin gravedad).
- La percepción del tiempo es relativa a la velocidad.
- A mayor movimiento, menor tiempo.
En un reloj, que se mueve a 100.000 km/s, su segundero irá más despacio que uno que va a 100 km/s.
Por ejemplo: Los Muones viven 2 microsegundos (tiempo terrestre).
No les daría tiempo a alcanzar la Tierra…
Pero llegan a la superficie terrestre, porque son muy veloces (200.000km/s).
Para ellos ha pasado menos tiempo.
Contracción espacial
Una esfera se deforma conforme se aproxima a la velocidad de la luz.
Pero desde la esfera, verán cómo los deformados somos nosotros.
- Sí se puede alcanzar la velocidad de la luz
Gluones, Muones y ondas gravitacionales. Se mueven a la velocidad de la luz.
El espacio se deforma al colocar materia en él (el ejemplo de la malla* o tela elástica, que ahora llamamos materia oscura).
*La malla es un mal ejemplo, porque tiene dos dimensiones y el espacio-tiempo tiene tres.
También falla, porque al ser un tejido físico, entran en juego las fuerzas de rozamiento…
Pero para visualizarlo, viene fetén.
El actualizazo
Durante estos diez años, intenta dar respuestas a las principales incongruencias entre la relatividad especial y las Leyes newtonianas de la gravedad.
- La luz debería curvarse bajo la acción de la gravedad, como pudo ver (durante un eclipse) un astrónomo en 1.919 (del que te hablo más abajo).
- La contracción y dilatación del tiempo y el espacio debido a la gravedad (también lo explico en un vídeo).
Entonces, Eisntein, se saca de la manga* la curvatura del espacio-tiempo.
Un concepto capaz de conectar todas estas ideas:
- La materia
- El espacio
- El tiempo
*A ver, “de la manga”.
Dejando de lado el sentido común.
Para conectar (mediante cálculos matemáticos) conceptos que era capaz de visualizar.
En esta generalización, de la anterior teoría especial, Einstein añade dos principios fundamentales:
1. El principio de equivalencia
En el que separa aceleración y gravedad, considerándolos aspectos diferentes de una misma realidad.
Donde, en un punto concreto, es imposible diferenciar experimentalmente:
- Un cuerpo acelerado uniformemente
- Un campo gravitatorio uniforme
No puedes distinguir el movimiento (al estar a una velocidad constante).
Notamos las aceleraciones, hacia delante cuando frena, hacia atrás cuando acelera.
El movimiento acelerado describe una parábola, al igual que al lanzar algo en la superficie de la Tierra, por lo que la gravedad tiene algo en común.
Gravedad o inercia
El observador sin gravedad y el observador en caída libre
Para Newton uno está sometido a una fuerza (la gravedad) el otro no está sometido a ninguna (la inercia no se consideraba una fuerza).
La curvatura del espacio-tiempo.
La gravedad deja de ser una fuerza, para convertirse en una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo.
La materia distorsiona el tiempo y el espacio, alterando el movimiento libre de fuerzas.
2. El principio de covariancia
Newton formuló unas leyes dinámicas que sólo eran válidas en sistemas de referencia inerciales.
Pero, Einstein, formuló una teoría (principio de invariancia de la forma de las ecuaciones) válida para cualquier observador.
(Lo hizo Lagrange, así, como dato).
“Una ley física, correctamente formulada, debería tener la misma forma para todos los observadores”
El observador no podría, de este modo, saber si él es inercial o no.
No hay forma de diferenciar, experimentalmente hablando, si la fórmula es válida para él (o para otros observadores).
“Bajo cambios de coordenadas, cambios de sistema de referencia o puntos de vista, las ecuaciones debería ser esencialmente* las mismas.”
*A ver, dependiendo del observador, variará su término matemático.
Los dos principios de covariancia
Covariancia de Lorentz
Bajo las transformaciones de Lorentz (la ecuación) debería mantener su forma*.
La covariancia presentada por Einstein, sólo era válida en la teoría de la relatividad especial.
Se hace imperativo buscar una teoría que incluya la gravedad.
*La forma general quedará invariante, aunque covaríen los términos.
Covariancia general
Cualquier ecuación (o ley física), desarrollada en coordenadas, mantendrá invariable su forma, bajo cualquier cambio de coordenadas posibles, sobre el espacio-tiempo.
Si cada observador tiene sus propias coordenadas, un observador* debería poder aplicar una ley. Puesto que tiene la misma forma para él que para todo el mundo.
*Aislado sensorialmente sobre su posición y características de su movimiento
Porque, las magnitudes, modificarían sus coordenadas de una forma específica, para que fuera invariable.
La Teoría de la Relatividad General
Sale la nueva actualización, con importantes mejoras en cuanto a gravedad se refiere.
1.915
Se publica la guía definitiva sobre “La teoría de la relatividad general”
Ecuaciones de campo, con las que Einstein forma el núcleo de la teoría, demostrando* que:
“La densidad local de materia y energía, determina la geometría del espacio-tiempo”
*A ver, “demostrando”. Formulando su concepto del universo, hasta que cuadrara.
Resumiendo:
Incluye observadores en movimiento no inercial (con aceleración).
Un movimiento acelerado no se puede diferenciar de una masa sometida a la acción (o fuerza) de la gravedad.
Dilatación temporal
El tiempo (propio) pasa más despacio en movimiento.
Esto quiere decir que, a más velocidad, más lento pasará el tiempo.
Y, a mayor intensidad de un campo gravitatorio, también.
A la velocidad de la luz, el tiempo, se detiene.
Cuando una estrella se sitúa detrás de un cuerpo con suficiente masa, los rayos de luz “rodearán” el cuerpo, creando lo que se conoce como:
Lente gravitatoria
Nace la física moderna
Y se fundamenta en dos principales teorías:
- La relatividad general
- La mecánica cuántica
A simple vista, parecen contradictorias, pero de las dos hay suficientes evidencias, como para considerarlas teorías.
Física cuántica
La física cuántica dictamina que, tanto Ondas como Partículas se comportan del mismo modo y forman parte de un todo.
Es decir, no suponen dos mundos, bien diferenciados:
- El de las ondas.
- El de las partículas.
Como vaticinaba la física clásica.
Isaac Newton postulaba que:
Partículas y ondas eran dos cosas diferentes y, como tales, se comportan de diferente manera.
En física cuántica se estudia:
- Las propiedades ondulatorias de las partículas
- Las propiedades corpusculares de las ondas
Cuerdas, campos y otras chicas del montón
Durante el pasado siglo XX, proliferan como setas numerosas variaciones de la teoría del quántum.
Unas teorías relativistas del campo electromagnético y las fuerzas nucleares (electrodébil, cromodinámica cuántica).
¿Callejón sin salida?
Mientras no se presente una teoría relativista del campo gravitatorio intenso…
Tss, qué te diría yo…
Porque haberlas, haylas (por ejemplo, en espacios asintomáticamente planos), pero no lo suficientemente consistentes, como para darlas por buenas.
Yo aquí he venido a hablar de Einstein
E=mc2
Para llegar a esta simplificada fórmula…
Un despeinado y, presuntamente, aburrido registrador de patentes…
Se ha tenido que plantear los cimientos de la física.
Einstein fue más allá, alterando nuestra manera de concebir el espacio, la energía, el tiempo… El universo.
Eliminando la posibilidad de un espacio-tiempo absoluto.
Por otro lado tenemos que:
La luz se mueve como una onda, no tiene masa. Pero sí energía.
La luz está formada por fotones (cuantos de luz).
- La masa expresa la cantidad de materia que posee un cuerpo en reposo.
- La luz ni tiene masa, ni puede estar en reposo (siempre está en movimiento a 300.000 km/s).
Pero, ¿qué ocurre con la energía?
La energía es todo lo que acumulamos, por ejemplo, la energía cinética, al movernos.
¿Un cuerpo (E) es igual a su masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado (c2)?
Sólo es aplicable para partículas en reposo y la luz no lo está.
Se hace imperativo, cambiar la masa (m), por el momento lineal* (p), para calcular la energía.
*El movimiento lineal es la cantidad de movimiento que produce la energía de los fotones.
Pero vayamos por partes…
¿Qué es la relatividad?
En 1915, Einstein, publica “La teoría de la relatividad general”.
En la que incluye un parche para el bug, que suponía, en la anterior Teoría de la Relatividad Esencial (1.005), la falta de gravedad.
La gravedad (como acción, en lugar de fuerza), es presentada “en sociedad” como una distorsión del espacio-tiempo.
¿Las corrientes de aire (que utilizan los aviones) son líneas rectas?
¿Es la línea recta la distancia más corta entre dos puntos?
En un mapa plano, sí.
En distancias cortas, sobre el papel o cualquier superficie euclídea (plana, nos sirve un poliedro), la distancia más corta entre dos puntos, es una línea recta.
Pero en un espacio curvo…
La línea que cubre la distancia más corta, entre dos puntos, se llama geodésica.
La tierra no es plana
Es una esfera y, al ver el mapa en la esfera, la distancia más corta, es una geodésica.
Las líneas rectas y los círculos
Sólo se vuelve curva una línea recta, bajo un campo gravitatorio.
Las geodésicas corresponden a las líneas que pasan por el centro de la esfera y la dividen en dos semiesferas iguales, en dos hemisferios.
Estas líneas se llaman círculos máximos.
En la Tierra, sería el ecuador y los meridianos.
Por ejemplo, para ir de España a México, se da “un rodeo”, pasando por Canadá y si te descuidas, Groenlandia.
Qué dice la teoría de Albert Einstein
Pues, básicamente, lo mismo que Newton pero, ojo cuidado, que el hecho de coincidir en resultados a velocidades “relativamente” pequeñas.
No significa que sea aplicable a todos los supuestos y que las cuentas no salgan, cuando hablamos de velocidades cercanas a la de la luz.
Aquí Newton decía que:
Si una ley se cumple en un sistema, también se debe cumplir en el otro.
Y Einstein lo corrobora, pero…
Incluyendo la constante universal que supone la velocidad de la luz.
Con matices:
La relatividad general es una teoría (del movimiento, la materia, el espacio y el tiempo) válida para todos los observadores, donde quiera que se encuentren.
La gravedad es una curvatura del espacio-tiempo
Paradoja de Ehrenfest: Para un observador (que rota a la vez que un objeto rígido) la geometría del espacio difiere considerablemente del tratado sobre Elementos de Euclides (sin curvatura).
La tangente acorta su distancia, el radio no.
Transformaciones de Lorentz
Hablando de percepciones, tenemos la de que el tiempo se contrae de forma diferente, para un observador en movimiento.
La invariabilidad de la velocidad de la luz y la afirmación de que:
“Las leyes de la física, son independientes del sistema de referencia utilizado”.
No significa que se demuestre, sino que es una fórmula que expresa (mediante ecuaciones) los dos principales conceptos postulados de la relatividad.
La velocidad de la luz
Tiene el mismo valor en todos los sistemas de referencia.
Por lo que es la constante de partida y, a su vez, limita la velocidad de cualquier objeto.
Modificaciones en el Tiempo y Longitud
Como consecuencia de todo esto, tanto el tiempo, como la longitud (de lo que sea capaz de moverse a la velocidades cercanas a la luz), no serán iguales en todos los sistemas de referencia.
Nada es instantáneo
- Todo necesita un tiempo para llegar de un sitio a otro.
La velocidad de la luz es finita y absoluta
- Todo observador debe deducir las mismas leyes universales.
Si la velocidad es la distancia recorrida en un tiempo determinado, para que la velocidad de la luz sea una constante:
El espacio y el tiempo deben amoldarse, según el espectador.
Tiempo y espacio se deforman (como haría un líquido en un recipiente) en función de la velocidad fija de la luz.
El tiempo se detiene, la luz no
Si cada rebote del fotón en el espejo, es llevado a cabo en movimiento, el tiempo transcurrirá más despacio en ese vagón.
Mientras que en el vagón estático*, el tiempo no sufrirá modificaciones.
Porque, como sabrás a estas alturas, todo está en movimiento.
Incluso cuando estás parado te estás moviendo en el tiempo.
*Si se diera el hipotético caso, de que existiera el concepto “estático”.
La luz siempre viaja a 300.000 km/s.
Si debe recorrer más distancia, lo que se modificará es el tiempo.
La simultaneidad es relativa
Aquí el bueno de Albert nos dice que:
Sólo se pueden medir velocidades relativas entre dos sistemas, si éstos son inerciales.
Aunque, para ser justos, también dice que no hay un sistema de referencia (un objeto en reposo absoluto*)
*Como ya sabrás, ni tú leyendo este tocho estás en reposo absoluto.
Depende, todo depende…
Del punto de referencia, todo depende-e-e…
El tiempo (también en climatología*) depende de la velocidad y del movimiento.
*Por ejemplo, en el vídeo de Justin corriendo bajo la lluvia.
El cono de Luz
Y lo sabes.
Todos los puntos fuera del cono, están desconectados “causalmente” del punto de origen (o).
Nada de lo que acontezca en “o”, afecta a ningún punto del espacio-tiempo (que esté fuera del cono).
Cualquier posibilidad (o hecho) tiene que ocurrir dentro de ese cono.
- Hacia “arriba” quedan los acontecimientos del futuro, lo que va a ocurrir.
- Hacia "abajo" quedan los sucesos que te han ocurrido.
En el cono del futuro:
Sólo afectará al observador (o) las movidas que ocurran en el cono del futuro.
En el cono del pasado:
Los acontecimientos del pasado podrán influir en “o”.
Fuera del cono:
Nada de lo que haya pasado (pasa o pase) fuera del cono de luz, afecta a “o”.
Apariencia del espacio-tiempo a lo largo de una línea de universo de un observador acelerado.
De Cyp - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, Enlace
- La dirección vertical indica el tiempo.
- La horizontal indica la distancia espacial.
- La línea punteada es la trayectoria del observador en el espacio-tiempo.
- El cuarto inferior representa el conjunto de sucesos pasados visibles al observador.
- Los puntos pueden representar cualquier tipo de sucesos en el espacio-tiempo.
- La pendiente de la línea de universo o trayectoria de la vertical da la velocidad relativa del observador.
Ahora imagina que:
- Cada punto es una posible situación.
- Los puntos en negrita (atravesados por tu línea temporal), son las decisiones que tomas.
Ellas te harán desplazar por el espacio-tiempo en una dirección o en otra.
Pero todo lo que acontezca, acontece y acontecerá, sucede dentro de tu particular cono de luz.
El espacio y el tiempo son relativos
O, lo que es lo mismo, una divergencia en la medición de un mismo fenómeno, descrito por dos observadores (en movimiento relativo). Debido a que la velocidad de la luz no es infinita (como, hasta ese momento, marcaban las leyes de Newton).
El tiempo deja de ser una constante absoluta para todos.
La “degradadan” a una propia, individual, exclusiva de cada partícula.
Que fluye de forma independiente del resto.
No hay un reloj cósmico implacable, que pasa para todos de forma lineal, hacia delante.
Lo que sí hay es una especie de reloj único e independiente para cada partícula del universo.
Cada reloj personal avanza en función de nuestro movimiento por el espacio.
- A mayor velocidad, más despacio pasa el tiempo.
- A mayor intensidad de un campo gravitatorio, también.
El tiempo es una dimensión
La percepción del tiempo es subjetiva
Depende de la ubicación del observador:
De encontrarse más próximo al evento que intente medir, éste, será más corto (recorre menos espacio la luz).
En relación al de otro observador, que se encuentra a más distancia del mismo evento.
¿Tiempo y espacio no son absolutos?
Que no lo digo yo, lo dice Einstein que era un genio.
La cuarta dimensión “El espacio-tiempo”
El cuadrivector es la representación matemática (en forma de vector de cuatro dimensiones) de una magnitud vectorial.
El tiempo es una dimensión y, como tal, la podemos recorrer.
Pero, ojo cuidado, siempre unida a las tres dimensiones del espacio.
- El tiempo, como dimensión, se mueve en el espacio con nuestro movimiento.
- Cada partícula tiene su propio “reloj” (una línea temporal) independiente del de las otras.
¿El tiempo es abstracto?
Como este artículo, lo que ves es luz (no la de tu pantalla, evidentemente), esto que estás viendo ahora mismo, las letras, las imágenes, los vídeos absurdos de Justin, tu dispositivo (sea de escritorio o móvil…).
Es una ilusión creada por nuestro cerebro, para decodificar lo que nuestros ojos ven.
La energía ni se crea, ni se destruye, se transforma.
Y, fruto del proceso de desgaste de la energía, se genera tiempo.
La percepción relativa de lo que es el tiempo
Todo ha ocurrido y está ocurriendo a la vez.
El tiempo deja de ser lineal, para convertirse en una ilusión
Una forma en la que nuestro cerebro procesa el ahora.
Einstein nos propone una realidad, en la que nuestra mente: recuerda el pasado, vive el presente y olvida el futuro.
En este punto dirás:
Pues yo no aprecio esa “supuesta” distorsión en mi día a día.”
Y te daré la razón, porque hablamos de “distorsión” en velocidades próximas a la de la luz.
Aunque te recordaré que, mientras lees esto, la Tierra (como planeta que habitas), se está moviendo a 220 km/s en el espacio, aunque no lo aprecies.
Gira sobre sí misma, a su vez al rededor del sol que, formando parte de la vía láctea… También se mueve por el universo.
Como las tazas locas.
Sí, señora, y para que no les explote la cabeza…
La educación se basa en las leyes newtonianas.
Invariancia con respecto a la inversión temporal
¿Pasado y futuro es lo mismo?
2ª Ley de Termodinámica:
Todo tiende a un estado de mayor entropía.
La gravedad pasa, de ser una Ley, a ser una consecuencia de la marcha de los acontecimientos, no está basada en una fuerza entre partículas.
Es mera estadística, que no se cumple en todos los supuestos.
Esa deformación, será la que desvíe la trayectoria recta de cualquier cuerpo con una masa inferior.
Será la que obligue a la materia más pequeña a variar su movimiento, creando una elipse, un círculo… Vamos, a orbitar.
El espacio-tiempo se basa en el movimiento
La masa se basa en el movimiento
La luz se basa en el movimiento
Este movimiento se condensa en forma de partículas elementales (fotones).
De la unión de estas partículas, se formará:
- Energía oscura:
Que es el soporte universal (no la “sábana bidimensional” que ponemos todos).
- Materia:
Los átomos de los que están compuestos todos los objetos del universo, sometidos a leyes físicas.
- En 1916, el astrofísico Karl Schwarzschild encontró la primera solución exacta (no trivial) de las Ecuaciones de Campo de Einstein, la llamada:
Métrica de Schwarzschild.
Que sentó las bases para la descripción de las etapas finales de un colapso gravitacional y los que hoy conocemos como agujeros negros.
- Ese mismo año, se iniciaron los primeros pasos hacia la generalización de la solución de Schwarzschild, a los objetos con carga eléctrica.
Obteniéndose, de esta manera la solución de Reissner-Nordström.
Que, ahora asociamos con "la carga eléctrica de los agujeros negros".
El universo no es infinito, tiene un principio y un final, está en continua expansión.
Las galaxias más lejanas se moverán más rápido hacia los extremos.
Más DIY: Crea tu propio agujero negro
Para convertir nuestro planeta en un agujero negro, necesitaríamos comprimir su tamaño hasta alcanzar un centímetro y medio de radio.
La vía láctea es un agujero negro
¿Qué pasaría si apareciera un objeto con una concentración de masa brutal en poco tamaño?
Pues que se curvaría el espacio-tiempo infinitamente, de forma que, ni la luz podría escapar de su campo gravitatorio (es tan fuerte, que el tiempo se detendría en su interior).
Ondas gravitacionales
Cuando dos cuerpos se atraen, van creando ondas, hasta su colisión.
Agujeros negros colisionando
Que es cuando de pronto la ondulación se detiene.
0’15 segundos, duró primera señal (14 sep 2.015).
Procedente, seguramente, del hemisferio sur, desde entonces se han podido registrar más.
Deforma la masa (alarga, encoge…) a muy baja intensidad, como un espejo de feria.
Una pequeña cantidad de masa es capaz de generar una cantidad de energía devastadora.
Por ejemplo, como hace el Sol.
Usos y aplicaciones reales de la Teoría de la Relatividad
Los satélites de comunicación no podrían transmitir datos sincronizados, de no ser por los cálculos basados en la Teoría de la Relatividad.
Más ejemplos de uso de los cálculos de Einstein son:
- La teoría de la radiación estimulada
Sin ella no tendríamos el láser que se utiliza, a día de hoy, desde en un simple lector de código de barras a procedimientos quirúrgicos de precisión, pasando por lectores/grabadores de CD/DVD y derivados.
Un láser es un haz de energía electromagnética (que puede ser luz visible, o no), con una gran cantidad de cuantos en dirección uniforme y frecuencia muy específica.
- La ley del efecto fotoeléctrico
Sentó la base para la creación de células fotovoltáicas.
Un tipo de energía renovable, que se ha utilizado, por ejemplo, para alimentar satélites de telecomunicaciones e investigación.
Sistemas de Geolocalización: Gracias a la relatividad general se logra, con suficiente precisión, los cálculos de tiempo necesarios para que puedan funcionar los sistemas de geolocalización.
Por ejemplo:
- NAVSTAR-GPS
- GLONAS, BEIDOU
- O el sistema, de andar por casa, para que no se pierdan amigas borrachas.
Como recordarás…
La percepción del tiempo cambia según el movimiento.
También cambia el tiempo en “los relojes” expuestos a grandes campos gravitatorios.
Por ejemplo, los satélites no podrían sincronizar datos. Sus “relojes” están corriendo a una velocidad diferente.
Resumiendo
La Relatividad Especial
Es una disertación sobre:
- Qué es la luz
- Cómo se mueve
- Qué pasaría si alcanzásemos la velocidad de la luz
- El tiempo es diferente para cada observador
- La forma del espacio no es la misma, depende de la velocidad el observador
La Relatividad General
Es la generalización de la Teoría de la Relatividad Especial, en la que se incluye que:
- La gravedad no se mueve a una velocidad infinita
- La luz se ve afectada por la gravedad (lentes gravitatorias)
- Que hay lugares de los que no puede escapar ni la luz (agujeros negros)
- La gravedad se propaga mediante ondas gravitacionales
- Las ondas gravitacionales viajan a la velocidad de la luz
Referencias:
“Breve historia del tiempo” (Steven Hawking)
“Paradojas de Bell y Ehrenfest”
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