Teoría de la relatividad especial: definición y ecuación

Teoría de Einstein

Einstein fue un genio y su trabajo extremadamente complicado. Sería imposible explicar completamente la relatividad especial en una lección corta. Pero contrariamente a la creencia popular, es posible comprender las ideas básicas detrás de él sin tener un título en física. Al final de esta lección, podrá presumir ante sus amigos diciendo que realmente comprende los conceptos básicos de la famosa teoría de Einstein: una teoría que cambió la física para siempre.

Albert Einstein

¿Qué es la teoría de la relatividad especial?

La relatividad especial es una teoría de la física que se ocupa de la relación entre el espacio y el tiempo y dice que son las dos caras de la misma moneda: el espacio-tiempo . Como todas las teorías científicas, está respaldada por una gran cantidad de evidencia y es ampliamente aceptada como precisa.

Los dos postulados principales de la relatividad especial son:

1. Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia que se mueven a velocidad constante (no aceleran).
2. Dos: la velocidad de la luz es la misma en todos estos marcos de referencia, incluso si la fuente de luz se está moviendo.

Un marco de referencia es solo un punto de vista particular. Un observador en un tren en movimiento está en un marco de referencia diferente a un observador al lado de las vías. Estos dos postulados pueden parecer obvios, pero tienen algunas consecuencias desconcertantes y difíciles de entender.

Trenes y tribulaciones

A Einstein le gustaba explicar sus teorías utilizando experimentos mentales, así que probemos uno. Imagine por un momento que una persona está sentada en el medio exacto de un vagón de tren en movimiento. Esta persona emite un pulso de luz en dos direcciones: una hacia la parte delantera del vagón del tren y la otra hacia la parte trasera. ¿Qué pulso de luz llega primero al borde del vagón del tren?

Tren de alta velocidad alemán ICE

Resulta que la respuesta es relativa. La respuesta depende de tu punto de vista. Para la persona en el tren, la luz llega a ambos extremos del vagón al mismo tiempo. Esto les parece obvio: están en el medio exacto del vagón del tren, por lo que cada pulso de luz viaja la misma distancia en el mismo tiempo.

Pero alguien que mirara el tren desde el costado de las vías vería algo bastante diferente. Para ellos, debido a que el tren se está moviendo, se pone al día con el pulso de luz que se mueve hacia la parte trasera del vagón del tren. Entonces, el pulso que mira hacia atrás llega primero a la parte trasera del tren. Para que esto se note, el tren tendría que ir a un porcentaje significativo de la velocidad de la luz, pero sigue siendo así incluso si no puede verlo a velocidades normales. Estas pueden parecer respuestas contradictorias, pero según la relatividad especial, ambos observadores son absolutamente correctos.

¿Cuáles son las consecuencias?

El experimento mental del tren muestra cuán extrañas pueden ser las consecuencias de la relatividad especial, y hay muchas de esas consecuencias. Los que discutiremos en esta lección son la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y la equivalencia masa-energía. La mayoría de estas consecuencias solo se aplican cuando los objetos se mueven a un porcentaje significativo de la velocidad de la luz; de lo contrario, pasan desapercibidos.

La contracción de la longitud dice que un objeto en movimiento parecerá más corto que un objeto estacionario en relación con el observador. Este efecto se puede resumir en esta ecuación:

La dilatación del tiempo dice que el tiempo pasa a diferentes ritmos dependiendo de si los objetos se mueven entre sí. Como seres humanos, estamos acostumbrados a que el tiempo sea una constante, pero la relatividad especial nos dice que el paso del tiempo en realidad varía según tu punto de vista. Esta ecuación describe esta diferencia en la cantidad de tiempo que habrá pasado:

Por extraño que parezca, la dilatación del tiempo ha sido probada de manera concluyente. En la década de 1960, se sincronizaron dos relojes atómicos (relojes extremadamente precisos) y uno se puso en un avión a reacción. El avión a reacción voló por el aire y regresó a su destino original. Cuando los relojes se reunieron, ya no estaban sincronizados. ¡El reloj que iba en el avión a reacción había viajado hacia el futuro! Si bien la diferencia fue de menos de un segundo, el número encaja perfectamente con las ecuaciones de Einstein.

Master Atomic Clock en el Observatorio Naval de EE. UU.

La equivalencia masa-energía es la idea de que la masa y la energía son realmente la misma cosa. Si aumenta la velocidad de un objeto (y por lo tanto la energía), también aumenta su masa. Es por eso que es imposible que un objeto con masa vaya más rápido que la velocidad de la luz: a medida que te acercas a esta velocidad, aumentas la masa del objeto, y si aumentas la masa del objeto, haces que sea aún más difícil darle más velocidad. Esto sucede a tal velocidad, que nunca puedes alcanzar la velocidad de la luz, solo puedes acercarte infinitamente a ella. Los aceleradores de partículas más potentes del mundo solo pueden acelerar partículas al 99,9999% de la velocidad de la luz debido a este límite. La ecuación que nos dice que la masa y la energía son lo mismo es la ecuación más famosa de Einstein:

Resumen de la lección

La relatividad especial es la teoría más famosa de Einstein. Está basado en dos ideas:

1. Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia sin aceleración.
2. La velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia. Aunque estas ideas parezcan sencillas, tienen consecuencias increíbles.

Esas consecuencias incluyen la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y la equivalencia masa-energía. La contracción de la longitud dice que los objetos que se mueven en relación con usted parecen más delgados. La dilatación del tiempo dice que el tiempo se mueve a diferentes velocidades para los objetos en movimiento. La equivalencia masa-energía dice que la masa y la energía son realmente la misma cosa.

La relatividad especial explicó muchas de nuestras observaciones sobre el mundo a principios del siglo XX. La respuesta de Einstein tuvo consecuencias tan increíbles que cambió para siempre el rostro de la física.

Los resultados del aprendizaje

Pruebe su capacidad para alcanzar estos objetivos después de revisar todos los temas de la lección:

• Enuncie los dos puntos principales de la teoría de Einstein sobre la relatividad especial.
• Comprender el uso que hace Einstein de los experimentos mentales y reconocer la importancia del punto de vista.
• Escribe las ecuaciones para la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y la equivalencia masa-energía.