Luz y relatividad: Desglose de la relatividad clásica con ejemplo de luz

Luz y relatividad

La teoría de la relatividad ofrece a los observadores una forma de ponerse de acuerdo sobre lo que ven desde diferentes perspectivas. La percepción de un objeto puede variar de una situación a otra o de una persona a otra. Por ejemplo, los objetos cercanos parecen ser más grandes que cuando están más lejos. Además, los objetos que viajan en un automóvil en movimiento parecen estar en reposo en relación con el observador en el automóvil. Sin embargo, un observador al costado de la carretera percibe que los objetos se mueven a la misma velocidad que el propio automóvil. En otras palabras, si bien los objetos en el automóvil no se mueven en relación con el automóvil, se mueven en relación con la carretera. La relatividad clásica nos dice que el movimiento es relativo al estado de movimiento del observador.

¿Todo movimiento es relativo?

Aquí hay una pregunta: ¿todo movimiento es relativo al estado de movimiento del observador como sugeriría la relatividad clásica? Parece que la respuesta es no. La relatividad clásica se rompe a velocidades realmente altas, por ejemplo, la velocidad de la luz. Varias observaciones y numerosos experimentos han demostrado que la luz viaja a la misma velocidad independientemente de la perspectiva del observador. Ya sea que el observador esté parado o en movimiento, la velocidad de la luz parece ser la misma. La velocidad de la luz es 186,283 millas por segundo o 299,792 kilómetros por segundo, y abreviamos la velocidad de la luz con la letra c . Para hacer nuestras matemáticas más fáciles, vamos a considerar que la velocidad de la luz es de 300.000 km / seg.

La velocidad de la luz no es relativa

La velocidad de la luz es c , y es c independientemente de la fuente de luz o de la perspectiva del observador. Veamos un ejemplo. Imagine que se aleja del sol a una velocidad muy cercana a la de la luz, digamos 250.000 km / seg (eso es bastante rápido). Divirtámonos con esto y digamos que puedes ver un fotón de luz alejándose del sol y pasándote por alguna ventana de tu nave espacial. Ahora saque su confiable pistola de radar y mida la velocidad de la luz cuando pasa por la ventana. ¿Qué mediría la velocidad de la luz en relación con su barco?

Con base en la relatividad clásica, puede predecir que la velocidad de la luz relativa a su nave mide 50.000 km / seg, ya que su nave ya viaja 250.000 km / seg y 300.000 km / seg – 250.000 km / seg = 50.000 km / seg. Sin embargo, mediría la velocidad de la luz en 300.000 km / seg. No compre una nueva pistola de radar todavía. Resulta que su arma de radar es correcta. La velocidad de la luz es la misma en relación con su nave en movimiento rápido o incluso un punto estacionario externo.

Ahora digamos que disparas un láser de luz lejos de tu nave espacial. Usando su confiable pistola de radar, mediría la velocidad del láser en 300,000 km / seg. Digamos que su amigo tiene la misma pistola de radar en la Tierra. ¿Qué tan rápido registraría el movimiento del láser de luz? Lo adivinó: su amigo mediría la velocidad de 300.000 km / seg. Como puede ver, la velocidad de la luz es la misma en relación con su nave espacial en rápido movimiento que con su compañero parado en la Tierra. La velocidad de la luz no es relativa.

Relatividad a altas velocidades

Necesitamos reconciliar esta aparente inconsistencia de la velocidad de la luz con la teoría de la relatividad, al menos la relatividad clásica. ¿Es posible que la velocidad sea relativa a la perspectiva del observador y constante cuando se trata de velocidades de movimiento realmente rápido como la luz? Albert Einstein , quizás el físico más grande del siglo XX, propuso que ambos son verdaderos. Propuso que una persona que viaja a velocidad constante observará las mismas leyes de la física que una persona en reposo.

La velocidad es una medida de la distancia recorrida en el tiempo. Esto es válido tanto para la luz como para cualquier otro objeto en movimiento. Dado que la luz sigue las leyes de la física, Einstein postuló que todos los observadores medirán la misma velocidad de la luz independientemente de su estado de movimiento. En otras palabras, la luz viajará a la misma distancia en la misma cantidad de tiempo.

¿Cómo puede ser constante la velocidad de la luz?

Podemos entender la propuesta de Einstein analizando la velocidad. La velocidad es simplemente una medida de la distancia recorrida en el tiempo. De hecho, usamos el término año luz para expresar la distancia recorrida por la luz en un año. La fórmula para la velocidad es s = d / t donde s = velocidad, d = distancia recorrida yt = el tiempo requerido para recorrer esa distancia. Según esta fórmula, si tanto la distancia como el tiempo cambian en el mismo factor, la velocidad no cambia.

Por ejemplo, un automóvil que viaja 10 millas en 1 hora y otro automóvil que viaja 100 millas en 10 horas viajarán a una velocidad de 10 millas por hora; su velocidad es la misma. Asimismo, diferentes observadores pueden ponerse de acuerdo sobre la misma velocidad de la luz si no están de acuerdo con la distancia y el tiempo. Resulta que tanto la distancia como el tiempo son relativos a la velocidad. A velocidades muy rápidas, digamos la velocidad de la luz, el tiempo se ralentiza y la distancia se acorta. Esto permite que tanto los observadores estacionarios como en movimiento registren la misma velocidad de la luz. Pero, ¿cómo se ralentiza el tiempo y cómo se contrae la distancia a altas velocidades? Estos fenómenos se explicarán en lecciones posteriores.

Resumen de la lección

En resumen, la teoría de la relatividad proporciona una forma para que los observadores se pongan de acuerdo sobre lo que ven desde diferentes perspectivas. La relatividad clásica nos dice que el movimiento es relativo al estado de movimiento del observador. Sin embargo, la relatividad clásica se rompe a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz no es relativa, sino que siempre se mide a 300.000 km / seg. Y eso es independientemente de la fuente de luz o la perspectiva del observador. Einstein propuso que los observadores pueden tener que estar en desacuerdo sobre la distancia y el tiempo para ponerse de acuerdo sobre la velocidad de la luz. Como velocidades una medida de la distancia en el tiempo, la velocidad puede permanecer constante si la distancia y el tiempo cambian en la misma magnitud. La ciencia ha demostrado que tanto la distancia como el tiempo se acortan a velocidades realmente rápidas. Esto permite que la velocidad de la luz sea la misma independientemente de su fuente o la perspectiva del observador. Por lo tanto, la distancia y el tiempo son relativos a la velocidad.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería poder:

• Definir la teoría de la relatividad, la relatividad clásica y la velocidad.
• Explica cómo la velocidad de la luz siempre es constante.