Teoría: Relatividad Especial

Continuando con la idea de Héctor de hacer un recorrido por las principales teorías científicas, hoy os traigo una sencilla explicación de la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein. Traté de ello en mi blog, de modo que copio y pego aquí.

Seguro que a cualquier persona con un mínimo de culturilla científica, le suena eso de la Teoría de la Relatividad de Einstein, o por lo menos que hay una teoría muy extraña que ideó un señor con bigote y pelo canoso y alborotado, que dice que no se puede viajar a una velocidad igual o mayor que la de la luz. Pues bien, de esto trataré en la entrada de hoy para que descubráis los principales fenómenos que implica la Teoría Especial de la Relatividad.

Aparte de la famosísima ecuación E=mc², la Teoría Especial de la Relatividad nos trae muchas más ecuaciones y fórmulas que seguramente para la gente de a pie no significarían absolutamente nada, pero que para los físicos lo son todo. Se trata de ecuaciones que imposibilitan que se pueda viajar a la velocidad de la luz (c) o que nos describen cuanta energía se produce en una reacción nuclear. Con esta entrada intentaré explicaros dos fenómenos que la gente suele desconocer y que son un grave impedimento para, por ejemplo, viajar a velocidades próximas a c.

Quién no ha soñado alguna vez con viajar en el tiempo o ir a galaxias y planetas lejanos?? Hay cientos de películas, series o comics que recogen situaciones así, pero que por desgracia para muchos, se alejan de las realidades físicas. Para explicar esto mejor, os contaré cosas acerca de los dos principales fenómenos que ocurren cuando se viaja a velocidades próximas a la luz: la dilatación del tiempo y la contracción del espacio. Pero antes de nada, os hablaré de las bases fundamentales de la Teoría Especial de la Relatividad.

La teoría la enuncia Einstein en 1905, pero no es el primero en desarrolar unas ecuaciones que describen algo así. De hecho, la mayor parte del trabajo la hizo Lorentz pocos años antes, al desarrollar un sistema de ecuaciones que permitía aplicar las leyes físicas de un sistema de referencia "quieto" a uno en movimiento. Esto es conocido como las Transformaciones de Lorentz, de las que no hablaré, pero que si estáis interesados en ellas podéis ver mucha información en Wikipedia. Aparte de Lorentz, también otro gran científico de la época llamado Poincaré participó de manera activa en las ecuaciones que permitieron finalmente a Einstein formular su teoría.

Los postulados básicos sobre los que se basa la Relatividad Especial son dos:

1. Principio especial de relatividad - Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto.


2. Invariancia de c - La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, c, que es independiente del movimiento de la fuente de luz.

Una vez visto esto creo que ya podemos intentar explicar los fenómenos que antes os mencioné de la dilatación del tiempo y la contracción del espacio.

La dilatación del tiempo, como su propio nombre indica, supone que para un viajero que vaya en su nave espacial por el espacio a una velocidad próxima a c, el tiempo tendería a ir más despacio comparado con el tiempo de un observador sentado cómodamente en el sillón de su casa en la Tierra. Esto se debe a que al aplicar las transformaciones de Lorentz llegamos a una ecuación (la tenéis descrita en el enlace anterior) que nos indica que cuanto más se acerca un cuerpo a la velocidad de la luz menor es el tiempo que mide para un suceso.


Por ejemplo, si nuestro viajero en una nave espacial que viaja al 90% de la velocidad de la luz tarda en comerse una manzana un minuto, para un observador desde la Tierra, tardaría casi dos minutos y 20 segundos. Pensaréis que no es demasiada diferencia, pero si nuestro viajero tarda por ejemplo 10 años en ir hasta un planeta de otro sistema, en la Tierra habrán pasado 20 años y 4 meses!!! Bastante complicado si se quieren mantener comunicaciones. A medida que aumentemos la velocidad mayor será la diferencia de tiempos. Para una velocidad del 99% de c, tardar un minuto en comer una manzana equivaldría a 7 minutos y 5 segundos terrestres. Podríais pensar en aumentar un poco más la velocidad para llegar a c, pero en ese instante, el tiempo se nos haría a infinito, de modo que no es posible.

El otro concepto es la contracción del espacio que es quizá un poco más difícil de visualizar. La ecuación (está descrita en el enlace anterior) nos dicen que cuanto más se aproxima un objeto a la velocidad de la luz, menor es la longitud que mide en la componente espacial en la que tiene lugar el desplazamiento. Como es algo lioso, lo mejor es poner un ejemplo. Si un viajero espacial antes de comenzar su odisea por el espacio mide su altura en la Tierra obtendrá un valor concreto. Supongamos que mide 1,8 metros. Si posteriormente se monta en su nave, activa el sistema automático para que la nave acelere hasta ponerse al 90% de c, y se tumba en la cama a descansar; en el momento que se alcance la velocidad fijada, el viajero ya no medirá 1,8 metros, sino que medirá un poco más de 78 centímetros. Y por si esto fuera poco, si se levantara de la cama, recuperaría su altura inicial, pero la distancia entre su pecho y su espalda no llegaría a 10 centímetros. Sería casi como convertirse en una hoja de papel. Y si se pudiera aumentar aún más la velocidad hasta llegar a c, nuestro pobre viajero se convertiría en un humano en 2D!! Todo esto, visto para un observador desde la Tierra, claro.


Bueno amigos, esto es todo por hoy. Espero que hayáis aprendido algunas cosillas sobre la Teoría Especial de la Relatividad y la imposibilidad de viajar a velocidades cercanas a la luz o mayores. Quizá debamos dejar a nuestros amigos los fotones que sean ellos quienes viajen a la velocidad de la luz y conformarnos de momento con explorar nuestro amplio Sistema Solar. Si os ha interesado esta entrada y os gusta comeros la cabeza pensando, tenéis en Wikipedia mucha información sobre la conocida paradoja de los gemelos, que seguro os ayudará a no aburriros en vuestro tiempo libre. ;)

Antes de despedirme os anuncio que tengo en el blog una encuesta para elegir el nombre que le pondremos a un futuro foro de ciencia, al que por supuesto estáis todos invitados. Podéis ver los títulos propuestos y votar por vuestros 3 títulos preferidos en Wis Physics.

Saludos

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