Tiempo y Teoría de la Relatividad: EL RELOJ DE LUZ

Antiguamente, cuando escuchaba la frase Teoría de la Relatividad, se me venía a la mente algo dificilísimo, inentendible, Albert Einstein, etc. Recuerdo un vídeo que pasaban en el canal Discovery kids sobre A. Einstein, en el cual mostraban cierto corto animado sobre la paradoja de los gemelos; uno partía en una nave hacia el espacio y el otro permanecía en tierra... regresando después de unos años con la misma edad y encontrando a su hermano que permaneció en tierra muy viejo. Siempre quise entender eso, pero en aquel entonces jamás lo hice. Pues bien, el presente post tratará de arrojar ciertas luces sobre la interesante teoría de la relatividad y algunas de sus implicaciones más importantes: La dilatación del tiempo.

Fuente

¿Breves palabras sobre Albert Einstein quizá? Albert Einstein, nace en alemania en 1879. Contrario a lo que muchos piensan o se ha dicho: no, no era un mal estudiante durante su época escolar. A sus 26 años publica su Teoría de la Relatividad Especial (1905). Diez años más tarde publica su Teoría de la Relatividad General (1915). En 1919, durante un eclipse solar, se confirman por primera vez las predicciones de su teoría sobre la curvatura de la luz de las estrellas ante la gravedad del sol, haciéndolo mundialmente famoso. En 1922 se le otorgó el premio Nobel de Física por el descubrimiento del efecto fotoeléctrico (no se le otorgó por sus teorías de la relatividad, aun eran consideradas muy controversiales…)

Fui guiado al estudio de las teorías de Einstein por mi curiosidad sobre el tiempo… ¿Qué es el tiempo? No lo sé… Einstein quizá nos dirá algunas de sus características.

¿Qué es pues el tiempo? Si no me lo preguntan lo sé, en cambio, si me lo preguntan, no sé como explicarlo. (San Agustín)
Fuente

Antes que nada, la famosa teoría de la relatividad no es una, sino dos teorías. La teoría de la relatividad especial y la teoría de la relatividad general. La primera opera principalmente en el rango de las cosas que se mueven muy muy rápido (cercanas a la velocidad de la luz: 300.000 km/seg), la segunda opera en el rango de las cosas muy muy masivas y por ende con campos gravitatorios muy fuertes: planetas, estrellas, agujeros negros. Lo primero que nos indican estas teorías es que las leyes de la física, tal y como las conocíamos, no funcionan cuando son aplicadas a esos rangos antes mencionados. El mundo opera de forma completamente contra intuitiva cuando lo llevamos a sus extremos: velocidades muy elevadas, cosas muy grandes, cosas muy pequeñas (mecánica cuántica)…

“Todo es relativo” quién no ha escuchado alguna vez esa frase, pues Einstein habría respondido a eso: - excepto la velocidad de la luz -. La velocidad de la luz es constante para cualquier observador en cualquier sistema de referencia, ese es el principal elemento que trajo consigo toda esa serie de conclusiones sobre el tiempo y el espacio de esta linda teoría. ¿Pero qué implica esa característica constante de la velocidad? El experimento mental del Reloj de luz, o reloj de fotones, fue pensado para responder dicha pregunta.

El reloj de luz consiste en un tubo de vidrio con dos espejos ubicados uno en su parte inferior y otra en su parte superior. En el interior del tubo se encuentra una partícula de luz rebotando en ambos espejos. Para ilustrar el ejemplo se supondrá que la partícula de luz o fotón se encuentra muy pero muy ralentizada, de lo contrario sería imposible verla.

Fuente: http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters_2017_Jan_1/Special_relativity_clocks_rods/index.html

El planteamiento es el siguiente: una persona (un observador) con un reloj de luz en reposo, al observar a una segunda persona transportando también un reloj de luz en sus brazos, podrá comparar y verá que el reloj de aquel que está en movimiento va más despacio. ¿Como es esto posible? A continuación una animación que nos ayudará a observar la idea.

Fuente: http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters_2017_Jan_1/Special_relativity_clocks_rods/index.html

Imaginemos que estamos rebotando un balón de baloncesto en el andén de una estación del metro… ahora imaginemos que en ese momento pasa el tren con un amigo nuestro, quién también se encuentra rebotando un balón al mismo ritmo o a la misma velocidad que nosotros lo hacemos. Para nosotros como observadores fijos, el recorrido que hace el balón de aquél que va en el metro es mucho mayor ya que se mueve en forma diagonal; para él, que rebota el balón dentro del metro, el recorrido es completamente vertical (hagan la prueba la próxima vez que vayan en metro, (risas)). Incluso podremos llamarle comprobación de la teoría de la relatividad para hacer tú mismo (más risas). Bien, dicho experimento se parece solo en parte al de la animación... el experimento mental, y sus consecuencias, son solo posibles debido a que la velocidad de la luz es constante para todos los observadores. Realmente nosotros observaremos que el balón de nuestro amigo se mueve a la velocidad del tren más la velocidad de bote, por ende, se moverá mucho más rápido que el nuestro. Este no es el caso de la velocidad de la luz. Imaginemos ahora que en vez de un balón, poseemos cada uno un reloj de luz. Ambos fotones se mueven exactamente a la misma velocidad, sin embargo, para nosotros que observamos desde el andén, el hipotético fotón dentro del reloj de luz de nuestro amigo recorrerá una distancia mucho mayor a la del fotón de nuestro reloj en tierra firme, ergo: tenemos que la velocidad es constante, tenemos que el recorrido para el reloj que va en el tren (desde la perspectiva en tierra) es mucho mayor que la distancia de recorrido para el reloj estático: recorrer una mayor distancia a una misma velocidad tomará más tiempo: ¡EL TIEMPO EN EL RELOJ EN MOVIMIENTO SE HA DILATADO! ¡TRANSCURRE MÁS LENTO!

Increíble, pero experimentalmente demostrado. Fueron realizadas pruebas utilizando relojes atómicos perfectamente sincronizados, uno se quedó en tierra, otro se montó en un avión y recorrió una gran distancia a altas velocidades, ¡al efectuar la comparación los relojes no coincidían! Dicha prueba es conocida como el Experimento Hafele–Keating.

El tiempo y sus misterios...

No quisiera hacer más larga esta publicación, pienso que incluso esté resultando un tanto aburrida, espero, REALMENTE ESPERO que no haya sido así. Bien, ya saben, ¡todo es relativo, menos la velocidad de la luz! Un saludo. La próxima entrega será sobre la relatividad de la simultaneidad, otro experimento mental que dio origen a la sentencia de Einstein sobre la ilusión del pasado, presente y futuro.

D