Relatividad especial en el mundo natural

¿Qué pasaría si les dijera que un astronauta que va en una misión de 5 años a otro sistema solar envejecería más lentamente que los que estamos en la Tierra? ¿O que cuanto más rápido vayas, más aumentará tu masa? Todos estos son conceptos en el ámbito de la relatividad especial , la famosa teoría que Einstein creó en 1905. Puede estar pensando que estos son conceptos geniales, pero son tan abstractos que no tienen relación con nada que podamos observar en nuestro mundo natural. Esta lección le mostrará que la relatividad especial no solo es un concepto genial utilizado para la ciencia ficción, sino que también juega un papel importante en los sucesos cotidianos de nuestro mundo natural.

Relatividad especial

La relatividad especial es el estudio del espacio y el tiempo y cómo se relacionan entre sí dependiendo del movimiento de dos objetos en diferentes marcos de referencia inerciales . Albert Einstein creó la teoría de la relatividad especial en 1905. La relatividad especial es diferente a la relatividad general : en la relatividad especial, el movimiento de los objetos entre sí es uniforme, lo que significa que los objetos están en reposo o se mueven a una velocidad constante. . Esto también significa que los objetos no están acelerando (acelerando o desacelerando) y que estos objetos no se mueven en una curva. Dependiendo de los marcos de referencia inerciales de dos objetos, podemos observar los fenómenos de contracción de la longitud y dilatación del tiempo.; esto se trata en otra lección.

La teoría de la relatividad especial de Einstein se basa en dos teorías clave:

• Que todo término de referencia es relativo, es decir, en relación con otra cosa. Por lo tanto, las leyes de la física no cambian, sin importar si un objeto está en movimiento o en un marco de referencia inercial (en reposo o velocidad constante).
• Que la velocidad de la luz es constante, siempre la misma, y ​​que nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz.

Relatividad especial en nuestro mundo natural

Electricidad

¿Sabías que la electricidad tiene algo que ver con la relatividad especial? El magnetismo se basa en un efecto relativista. Funciona porque no hay un marco de referencia absoluto, como lo indica el primer principio de relatividad de Einstein. Los electroimanes solo afectan a los objetos cargados si están en movimiento. A medida que el objeto cargado se mueve en relación con el marco de referencia del electroimán, comienza a sentir el efecto de las contracciones de longitud (un fenómeno de relatividad especial) de sus electrones en movimiento, lo que hace que el objeto sea atraído o repelido por el electroimán.

GPS

El GPS es una herramienta que se ha vuelto imprescindible en nuestra vida diaria. Prácticamente todos los teléfonos inteligentes utilizan GPS, o sistemas de posicionamiento global, para rastrear nuestros movimientos y ayudarnos con las direcciones. Dado que nuestros teléfonos reciben una señal de satélites a miles de pies por encima de nosotros que se mueven a velocidades de miles de millas por hora, la dilatación del tiempo debe tenerse en cuenta o nuestro GPS nos perdería con bastante rapidez.

El color del oro

Puede que no lo supieras, ¡pero el color amarillento del oro es causado directamente por efectos relativistas! El oro es un átomo pesado con 79 electrones y 79 protones. Los electrones internos se mueven tan rápido alrededor del núcleo del átomo que se mueven aproximadamente a la mitad de la velocidad de la luz. Esta velocidad causa los efectos especiales de relatividad de la contracción de la longitud y el aumento de masa. Estos efectos relativistas cambian los orbitales de los electrones y hacen que se absorba más luz azul. Por lo tanto, la luz que rebota en el oro tiene menos azul. Debido a que el amarillo es complementario del azul, la luz que vemos reflejada en el oro parece más amarillenta. Este fenómeno produce el color que conocemos como oro.

Muones y relatividad especial

Un muón es una partícula subatómica que se forma cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera. Es similar a un electrón pero 207 veces más pesado. Los muones son conocidos por ser partículas relativamente rápidas y de corta duración. Viajan a 0,994 veces la velocidad de la luz y tienen una vida media de 2,2 microsegundos (2,2 X 10 -6segundos)! Eso significa que en 2,2 microsegundos, el muón se descompondrá en un electrón y dos neutrinos (otra partícula subatómica). Esta corta esperanza de vida les había dado a los científicos un dolor de cabeza hasta que la relatividad especial llegó al rescate. El problema es este: los muones provienen de los rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra, y aunque viajan cerca de la velocidad de la luz, su corta vida dicta que solo deberían poder viajar 660 metros antes de que la mitad de ellos se hayan descompuesto en otras partículas. Por lo tanto, se esperaría que solo se detectaran 0.5 X 10 20 en la superficie de la Tierra, ¡un número súper súper pequeño! Sin embargo, los físicos han detectado una proporción significativamente mayor de muones en la superficie de la Tierra. ¿Por qué es ese el caso?

La respuesta se basa en la relatividad especial. Dado que los muones viajan casi a la velocidad de la luz (0.994c), se ven muy afectados por efectos relativistas, como la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud. Cuanto más rápido va un objeto, o cuanto más se acerca a la velocidad de la luz, más tiempo se dilata para este objeto en relación con un objeto en reposo en la Tierra. Por lo tanto, aunque los muones siempre tienen una vida media de 2,2 microsegundos desde la perspectiva del muón, la dilatación del tiempo hace que la vida media de los muones cambie a 20 microsegundos desde la perspectiva de alguien en la Tierra. Esta dilatación permite que alrededor del 25% de los muones que entran en la atmósfera de la Tierra viajen casi 20 km hasta la superficie de la Tierra. Bastante bien, ¿verdad?

Resumen de la lección

• La teoría de la relatividad de Einstein se basa en dos principios clave: que ningún marco de referencia es absoluto y que nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz.
• La relatividad especial juega un papel importante en nuestro mundo natural, afectando a los electroimanes, al GPS y al color del oro, por nombrar algunos.
• El efecto relativista de la dilatación del tiempo explica por qué se observan más muones en la superficie de la Tierra de lo esperado con su corta vida útil.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador