¿Puedes explicar brevemente la relatividad sin las matemáticas?

Me gustan las respuestas de Viktor y Mark, pero A2A, así que lo intentaré.

En la vida cotidiana, qué tan rápido parecen moverse las cosas depende de quién esté midiendo. Si usted es un pasajero en un automóvil que conduce por la calle y sostiene una pelota en la mano, esa pelota no parece moverse desde su perspectiva. Pero, según alguien parado en la acera, esa misma pelota se movería, a cualquier velocidad que el automóvil conduzca por la carretera. Tampoco es solo para “moverse” versus “no moverse”; si lanzas la pelota hacia adelante ligeramente, verías que se mueve lentamente hacia adelante, mientras que la persona en el suelo la verá moverse hacia adelante mucho más rápido.

Así es como funciona casi todo, pero no funciona así para la luz . Los físicos lo esperaban, pero hicieron los experimentos y simplemente no lo hicieron .

Esto forzó una revisión radical de la física. Por ejemplo, en lugar de lanzar una pelota dentro de un automóvil, considere los faros del automóvil. Si alguien en el automóvil mide que la luz viaja hacia adelante a cierta velocidad, ¿cómo podría la persona en la acera no ver que la luz viaja aún más rápido ? ¡No tiene sentido intuitivo! Pero, es una declaración matemática perfectamente válida, y Einstein la tomó como uno de sus dos axiomas (suposiciones iniciales) para la Relatividad Especial. Aproximadamente:

1. La velocidad de la luz en el vacío es la misma, sin importar quién la mida.
2. Las leyes de la física son las mismas, sin importar quién las mida.

El segundo tiene sentido; Las leyes de la física deberían ser las mismas para todos. Sin embargo, el primero es el que sorprendió a todos.

De todos modos, a partir de esos dos supuestos iniciales (respaldados por evidencia experimental), puede probar matemáticamente una serie de efectos contraintuitivos.

Para todos estos efectos, es importante tener en cuenta que cuando digo cosas como “ver” o “medir”, me refiero a ellas de una manera especial. No lo digo en sentido literal, visual; eso puede ser fácilmente engañado por el hecho de que lleva un tiempo diferente para llegar a usted desde el “frente” y el “fondo” de un objeto. En cambio, me refiero a lo que puedes descubrir sobre una cosa determinada. Por ejemplo, si alguien le grita desde un campo grande, no lo escuchará de inmediato; pero, si sabe qué tan lejos están y la velocidad del sonido, puede averiguar cuál fue el retraso y, por lo tanto , averiguar cuándo gritaron . Eso es lo que se entiende en Relatividad Especial cuando alguien dice “El observador A ve esto” o “El observador B mide eso”; son los eventos que el observador puede deducir que sucedieron, no la información en bruto que llega a sus ojos u oídos.

Entonces, con eso fuera del camino: ¡a la diversión!

  1. (Cinemática) dilatación del tiempo

    En la Relatividad Especial, cada observador piensa que el tiempo se mueve normalmente por sí mismo, pero ve que el tiempo se mueve más lento para todo (¡incluidas las partículas pequeñas!) Que se mueve rápidamente en relación con ellos. Este efecto comienza muy pequeño, y es tan pequeño que no lo notamos en la mayoría de las situaciones cotidianas, pero se vuelve más y más grande para las cosas que se acercan a la velocidad de la luz (según ese observador). ¡Para los protones en el Gran Colisionador de Hadrones, el tiempo se mueve más lentamente (según los físicos que los miden) en un factor de 7000!

    En resumen: la cantidad de tiempo transcurrido entre dos eventos es fundamentalmente subjetiva; No hay respuesta correcta”.

  2. Contracción de longitud

    Además del tiempo que se mueve lentamente, si un objeto se mueve cerca de usted muy rápidamente, verá que su longitud se acorta a lo largo de la dirección del movimiento. Nuevamente, el efecto es insignificante a velocidades diarias, pero se hace cada vez más grande a medida que el objeto se acerca más y más a la velocidad de la luz.

    En resumen: la distancia entre dos puntos en el espacio es fundamentalmente subjetiva; No hay respuesta correcta”.

  3. Relatividad de simultaneidad

    Para algunas personas, este es el más extraño de todos. Si veo que dos eventos suceden al mismo tiempo pero en diferentes lugares, un observador que se mueve con respecto a mí puede verlos suceder en diferentes momentos . ¡Incluso es posible que diferentes observadores estén en desacuerdo sobre el orden en que ocurrieron dos eventos! [1]

    En resumen: si dos eventos fueron simultáneos o no (o, si no, el orden en que ocurrieron) a veces puede ser fundamentalmente subjetivo; a veces no hay una “respuesta correcta”.

Esto ya es bastante largo, así que será mejor que deje la Relatividad general para otro momento. Espero que esto haya ayudado!

[1]: Afortunadamente, hay límites en cuanto al orden de eventos puede ser diferente para diferentes observadores. De lo contrario, tendríamos que desechar el concepto de causa y efecto. Para obtener más información, consulte la respuesta de Erik Anson a Causa precede al efecto, pero ¿se puede conciliar esto con la verdad relativista de una secuencia diferente de eventos para diferentes observadores? Incluyo un poco de matemática, pero todo también se explica en palabras.

La mejor explicación no matemática de la relatividad especial que he visto es este video.

La explicación está diseñada para personas que entienden la física de la escuela secundaria y están interesados ​​en saber acerca de la relatividad pero no tienen la paciencia para comprender las matemáticas detrás de ella.

Todavía tengo que encontrar una explicación al mismo nivel para la relatividad general. En caso de que tenga fobia a los enlaces, puedo intentar hacer una breve explicación.

La relatividad en sí es un concepto muy antiguo (mucho más antiguo que Einstein). Se refiere a la noción de que para cualquier cuerpo en movimiento, su velocidad y distancia recorrida nunca es absoluta. Difiere según la posición (y la velocidad) del observador. Si estabas sentado en un café leyendo esto, entonces, para un observador en el café, estás sentado quieto, mientras que para un observador de la EEI te estás moviendo a una velocidad igual a la rotación de la tierra. Ese es el principio de la relatividad.

Einstein trató de conciliar esta noción con la velocidad de la luz. Realizó una serie de experimentos mentales sobre lo que observaría un observador que viaja a la velocidad de la luz. Obviamente había muchas paradojas que no podían explicarse. La razón es que, independientemente de dónde estaba o qué tan rápido viajaba, solo puede hacer una observación si la luz del evento que se está observando tiene tiempo para llegar a sus ojos (o su telescopio o cámara). Pero si el observador, el objeto bajo observación o la fuente de luz se movía cerca de la velocidad de la luz, entonces, bajo la física convencional, la adición de velocidad daría lugar a situaciones extrañas. Einstein se dio cuenta de que estas paradojas solo pueden explicarse si la velocidad de la luz era una constante universal.

Lo que esto significa es que, no importa qué tan rápido viaje, siempre encontrará que la luz de cualquier evento que esté observando siempre lo alcanza a 299792 km / s. Si sigue la fórmula clásica, la velocidad es la distancia recorrida por unidad de tiempo (kmph, m / s, etc.). Si la velocidad tiene que permanecer constante siempre, entonces la distancia o el tiempo deben “ceder” para mantener la ecuación. Resulta que tanto el tiempo (dilatación del tiempo) como la distancia (contracción de la longitud) se ajustan para garantizar que la velocidad de la luz vista por cualquier observador sea ​​siempre constante. Es decir, para cualquier cuerpo en movimiento uniforme, los valores de distancia recorrida y el tiempo necesario para cubrir esa distancia cuando son medidos por múltiples observadores pueden dar lugar a diferentes mediciones. Pero la velocidad de la luz es siempre la misma para todos los que la miden. Esta es la esencia de la teoría especial de la relatividad. Un efecto secundario de esta teoría fue la famosa derivación de la equivalencia de energía de masa – e = mc2.

La teoría especial se llama “especial” porque, en el artículo original de Einstein, solo se definió para cuerpos en un estado de movimiento uniforme. No tuvo en cuenta la física de los cuerpos bajo aceleración, desaceleración o caída bajo la influencia de la gravedad. Por lo tanto, era aplicable solo a “casos especiales”.

En su artículo de 1915, Einstein mejoró aún más la teoría y la generalizó para todas las formas de movimiento. Al hacerlo, creó una teoría completa de la gravitación. Esto se llama la teoría general de la relatividad. Según esta teoría, la gravedad es un efecto de la curvatura del espacio-tiempo. Los cuerpos con masa distorsionan el espacio-tiempo a su alrededor y, por lo tanto, cambian la trayectoria de movimiento de otros cuerpos cercanos. Esto causa el efecto aparente de la gravedad. También proporciona un mecanismo para medir velocidades en cuerpos de aceleración o desaceleración de acuerdo con los principios definidos en la relatividad especial. La forma más intuitiva de entender esto es la analogía de la lona. Una búsqueda rápida en YouTube de relatividad general arrojará cientos de animaciones que explican esto.

Descargo de responsabilidad: la explicación anterior es incompleta y simplifica demasiado el concepto. Para comprender realmente la belleza de la teoría, las matemáticas son indispensables.

Considere la siguiente situación.

Estás parado en el borde del río que fluye a una milla por hora y tiene una milla de ancho. Dos botes de remos están parados en la orilla del río, y usted y su amigo deciden ver quién puede remar más rápido. Después de una prueba rápida, ambos se dan cuenta de que reman a la misma velocidad, aproximadamente 2 millas por hora (solo continúen). No satisfechos con el hecho de que ambos reman la misma velocidad, deciden aumentar un poco las apuestas. Propones un poco de competencia. Uno de ustedes remará a través del río y regresará, el otro remará río abajo y retrocederá la misma distancia. Ambos remarán un total de dos millas, pero uno tendrá la ayuda actual y luego les hará daño, mientras que el otro tendrá el daño actual en ambos sentidos, pero no tanto.

Entonces, ¿quién gana? Además, ¿por qué diablos estoy preguntando esto cuando hablamos de relatividad?

Solo quédate conmigo por unos minutos y considera esto. ¿Qué pasaría si lo más rápido que pudieras remar era 2 millas por hora y el río fluye 2 millas por hora? Claramente, el tipo que iba río abajo volaría, pero cuando se daba la vuelta para regresar río arriba no avanzaría en absoluto. En este caso extremo, es bastante obvio que el tipo que cruza el río va a ganar, pase lo que pase.

Ahora, piense en el otro extremo, el río no fluye en absoluto (en cuyo caso es solo un canal estancado, lo sé, pero esto es física y no nos preocupamos por cosas molestas como la etimología y la gramática). Luego, si ambos remeros reman a la misma velocidad y recorren la misma distancia, llegarán al mismo lugar al mismo tiempo.

Muy bien, es muy claro que el remero que cruza el río siempre va a ganar, mientras que el remero que va río abajo siempre va a perder, siempre que esté remando a la misma velocidad.

Ahora, ¿qué pasa si te digo que no importa qué tan rápido fluya el río, los dos remeros llegan al mismo lugar al mismo tiempo cada vez? De hecho, ¿qué pasa si te digo que probamos esto en cada río de velocidad diferente, y cada vez que los dos remeros siempre llegaban al mismo tiempo?

Después de examinarme en busca de signos de locura (insisto en que estoy cuerdo) te muestro el experimento, muchas veces, bajo diferentes condiciones, y cada vez que los remeros llegan al mismo tiempo. Juntos verificamos la velocidad de remo de cada remero y confirmamos que siempre es la misma, juntos medimos la distancia remada y también es siempre la misma.

¿Qué diablos está pasando aquí? Esto es más o menos lo que se preguntó la comunidad de física tras los famosos experimentos de Michelson Morley. Michelson y Morley eran dos físicos estadounidenses que trabajaban en la Universidad Case Western en Cleveland. Decidieron medir la velocidad relativa del éter (no entrar en eso en este momento) midiendo cuánto más rápido la luz que pasa lateralmente a través de la dirección del movimiento de la Tierra a través del espacio regresó en algún punto que la luz que va con (y contra) el dirección del viaje de la Tierra.

En otras palabras, intentaron ver qué tan rápido la luz podía remar a través de un río. Y descubrieron lo mismo que les he estado diciendo anteriormente, que los dos remeros llegan al mismo tiempo cada vez. Completamente desconcertados por este resultado, volvieron a ejecutar el experimento con aún más precisión y encontraron la misma respuesta nuevamente.

El primer intento de responder fue hecho por dos hombres llamados Hendrik Lorentz y George Fitzgerald. Propusieron que la longitud del río en realidad se redujera, mientras que el ancho seguía siendo el mismo. Y propusieron que se redujera lo suficiente como para hacer que los dos remeros regresen al mismo lugar al mismo tiempo. El mecanismo para esto fue ese molesto éter. La idea era que a medida que la Tierra volaba a través del éter, la presión ejercida sobre cualquier cosa hacía que esas cosas se encogieran, las moléculas en ellas se apretaban entre sí. Como cualquier gobernante que solía medir esto también se reduciría, nadie lo había notado, pero la luz, cuya velocidad es invariable, se dio cuenta y proporcionó evidencia del acortamiento.

No hace falta decir que a los físicos no les gustó esa explicación. Si la longitud de las reglas cambiaba dependía de la forma en que se enfrentaba, entonces no se podía confiar en ninguna medición. Hay algunos principios que son, como los axiomas en matemáticas, consagrados por los físicos como fundamentales para la forma en que hacemos física. Una de ellas es la fiabilidad básica de los sentidos, y parte de eso es que las mediciones que hacemos también son confiables. Si no lo son (y no hay garantía de que lo sean), cambia todo.

Entonces viene un examinador de patentes desconocido en Suiza. Propone un nuevo principio, el Principio de Equivalencia. La idea básica es que, no importa cuán rápido se muevan los diferentes observadores entre sí, las Leyes de la Física son siempre las mismas. Una de estas leyes establece específicamente que la velocidad de la luz es invariable para todos los observadores. De hecho, las ecuaciones de Maxwell afirman que la velocidad de la luz depende de un par de constantes relacionadas con la fuerza del magnetismo y la electricidad.

Esto tuvo grandes implicaciones. Por un lado, significa que si estás en un cohete yendo a la mitad de la velocidad de la luz, y haces brillar una luz hacia adelante desde el cono de la nariz de tu cohete, ambos mediremos la velocidad de esa luz como 3.0 x 10 ^ 8 metros por segundo (más o menos incertidumbre de medida). Pero esto no coincide con la experiencia cotidiana. Si viajo en un automóvil que va a 50 millas por hora y lanzo una pelota a 100 millas por hora (sí, soy un lanzador de Grandes Ligas), la pelota realmente viajará 150 mph a alguien en el suelo observándola .

Todo esto golpea el corazón de la ciencia, que es esencialmente el acto de observar y medir. A partir de esas observaciones / mediciones, los científicos desarrollan modelos matemáticos que hacen predicciones que luego pueden ser probadas por, lo adivinaron, más observación y medición. Pero, si la medición por diferentes observadores conduce a resultados diferentes, ¿en quién confiamos? ¿Cómo sabemos si la observación es correcta o no? ¿Cómo lo validamos?

Probablemente la parte más importante de la Teoría de la relatividad especial es que nos dice cómo relacionar las mediciones de dos observadores diferentes que se mueven a diferentes velocidades en relación con lo que están midiendo. ¿Cómo es eso, preguntas?

Imagine que una niña con un cronómetro está sentada en un tren, bajando por los rieles. Ella tiene un cronómetro, porque cada niña lleva un cronómetro con ella. Ella arranca el cronómetro cuando sale de la estación, y mientras viaja ve un árbol fuera de su ventana ser alcanzado por un rayo e inmediatamente detiene el cronómetro. Para la niña, el tiempo entre el tren que sale de la estación y el rayo que cae sobre el árbol fue de 30 segundos.

Ahora, imagine que parado en una colina a una milla de distancia de la estación hay un pastor (esto está comenzando a sonar como un cuento de Navidad). Cuando el tren sale de la estación, enciende su cronómetro (porque, ¿por qué no?). Cuando el rayo cae sobre el árbol, detiene su cronómetro. Mide 31 segundos (estoy exagerando los efectos para … efecto).

¿Quién tiene la razón? Bueno, los dos lo son. ¿Qué? ¿Que está pasando aqui?

Bueno, la forma en que medimos las cosas es observándolas. La forma en que los observamos es viendo, y ver significa luz. Y la luz viaja a una velocidad finita (aunque muy grande). Entonces, dado que la luz del rayo tardó menos en llegar a la niña en el tren (estaba más cerca del árbol que el pastor), midió la diferencia horaria entre la estación y el rayo como menos que el pastor.

Entonces, ¿cómo puede alguien volver a ponerse de acuerdo en una medición, a menos que estén parados uno al lado del otro cuando miden? Bueno, de eso se trata la Relatividad Especial. Nos brinda un medio para transformarnos de un marco de referencia a otro con una confiabilidad perfecta.

Bueno, eso es lo mejor que puedo hacer sin profundizar en las matemáticas detrás de esto. Y las matemáticas no son malas. Es principalmente álgebra, y te animo a que lo explores. Mi profesor universitario de física es el que me habló sobre el río y los remeros, y luego nos dijo que tenía implicaciones para la Relatividad. Nada hace que los estudiantes de física se interesen en un problema aparentemente mundano como decirles que está relacionado con la Relatividad.

Así que terminaré diciendo que todo vuelve a los remeros y ríos. Como siempre lo hizo.

Tratar de explicar una teoría como la relatividad sin matemáticas es como tratar de explicar una pintura como la Mona Lisa describiéndola a alguien por teléfono. Puede obtener algunas ideas vagas, pero nunca entenderá realmente la cosa. Así como ver a la Mona Lisa es esencial para su comprensión, las matemáticas también lo son para teorías como la relatividad.

Dicho esto, el principio básico de la relatividad es fácil de explicar y se puede hacer en una sola oración breve: las leyes de la física son las mismas para todos los observadores, independientemente de su movimiento .

Si todavía insiste en una explicación no matemática de la teoría, lo mejor que he visto hasta la fecha es la excelente biografía de Einstein de Walter Isaacson, Einstein: His Life and Universe .

Ya hay una serie de buenas respuestas, por lo que me centraré en una pequeña parte de la motivación.

Imagine correr por una carretera a la velocidad ‘v1’ y lanzar una pelota a la velocidad ‘v2’ mientras lo hace. La velocidad de la pelota con respecto a alguien al costado del camino es la suma, ¿verdad? v1 + v2. Parece intuitivamente obvio. ¿Qué pasa si esa suposición es incorrecta? ¿Cómo probaría esta creencia?

Resulta que la suma de velocidades es incorrecta y eso tiene serias implicaciones para nuestra capacidad de medir la distancia y el tiempo. El supuesto resumen se basa en la creencia de que el tiempo es solo un número en el que todos podemos estar de acuerdo. Su reloj no es diferente al mío si ambos funcionan al mismo ritmo, ¿verdad? Incorrecto. La rapidez con la que se mueven nos confundirá cuando intentemos sincronizarlos. Lo mismo sucede con las barras de medición.

A2A. Puedo obtener una manera justa de explicar la relatividad sin las matemáticas, pero no puedo hacerlo brevemente y no puedo hacerlo sin diagramas copiosos. Ver por ejemplo,

La respuesta de Mark Barton a ¿Cómo resuelve esta paradoja en la dilatación del tiempo?
La respuesta de Mark Barton a ¿Puede un tren contratado cerrar un circuito?

A2A.

El tipo de relatividad con la que tratamos en la vida cotidiana es E3T, es decir, el espacio 3D euclidiano y el tiempo absoluto. Es lo que se enseña en las escuelas, y es lo suficientemente bueno para hurgar en naves espaciales alrededor del sistema solar.

La relatividad especial es E3J. Surge de un resultado en las ecuaciones de Maxwell que la luz viaja a la misma velocidad para todos los observadores. Esto no está permitido en E3T, pero Einstein proporcionó una métrica donde el espacio y el tiempo experimentan un intercambio para mantener c constante.

La relatividad general es TRB, supone que la gravedad no existe, sino que proviene del desorden del espacio hacia una gran masa. Aquí, ‘recto’ significa que divide la longitud de la circunferencia en dos. Pero si los grados son un número diferente de pulgadas, entonces parece desviarse.

Como modelo simple, puede llevar una tela y varios anillos como anillos de curtia. Corte un asterisco en la tela, donde cada brazo tenga la misma longitud que el diámetro del anillo de la cortina (la idea es que vamos a tirar de la tela a través del anillo de la cortina, de modo que el perímetro de la tela sea el doble que el del anillo de la cortina ) Has hecho un agujero negro.

Una hormiga que viaja a través de esta tela, sería desviada por el diámetro del anillo, dividido por la distancia desde el anillo. Entonces, en el sistema del sol, el anillo de la cortina es de 1500 m, la tela aparece debajo del sol a 700,000 km, por lo que no hay una gran desviación, pero es observable en condiciones muy débiles.

Todos los observadores de la Mona Lisa ven sus ojos mirándolos. Todos experimentan un viaje ligero a la misma velocidad. Una es definitivamente una ilusión, porque es una técnica conocida en el arte.

Si la luz viajara a través de un éter, como una hilera de fichas de dominó cayendo, tal vez sería eso lo que limita la velocidad de la luz. Así como viaja a diferentes velocidades en diferentes cosas.

Se nos dice que no hay éter. Que los fotones crean su propio campo. Bueno, eso me parece algo, con un proceso y la velocidad de ese proceso podría limitar la velocidad de la luz.

El cambio Doppler cambia la longitud de onda, el color de la luz, pero no su velocidad.

Cuando hice A Levels, el Laboratorio Nacional de Física en Teddington tuvo ligeras variaciones en la velocidad de los diferentes colores. No hubo una tendencia obvia y las diferencias fueron minúsculas, pero no un error de medición.


Para cualquier principiante (incluso para mí), relativamente se basa únicamente en dos principios:

  1. Las leyes físicas son siempre las mismas en un marco de inercia (o marco de referencia no acelerado).
  2. La velocidad de la luz en el vacío es siempre constante.

Con base en estas dos premisas, y haciendo muchos cálculos, verá que el tiempo tiene que dilatarse y el espacio tiene que ser aplastado para que el segundo principio funcione.

Sin embargo, para la relatividad general, Einstein trata un caso mucho más general (con aceleración, particularmente por gravedad).

También podrías preguntar a algunas personas más profesionales que yo.

Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores. Las observaciones que siguen de esas leyes pueden variar dependiendo del estado de movimiento o ubicación del observador en un campo gravitacional. Más allá de eso, recomendaría leer Spacetime Physics de Taylor and Wheeler.

Si solo desea conocer el concepto de relatividad, hay un ejemplo:
A arroja una pelota a B: a la vista de A, la pelota se va; En la vista de B, la pelota se acerca; En la vista de la pelota, solo deja las manos de A a las de B.
Este ejemplo puede ayudarte a entender.