La forma en que expresó su pregunta fue mal planteada. Todas las mediciones deben hacerse en relación con un observador hipotético. Por lo tanto, permítanme reformular la pregunta en una forma que pueda ser respondida.
P: ¿Un observador percibe que un reloj que se mueve a alta velocidad en relación con él marca más lentamente que un reloj físicamente idéntico que está parado con respecto a él?
A: si
- Si los fotones de luz viajan a la velocidad de la luz, ¿por qué la luz no es dolorosa?
- ¿Cómo puede dilatarse el tiempo como se menciona en la teoría de Einstein?
- ¿El voltaje de alimentación generado en la estación generadora viaja a la estación receptora a una velocidad de la luz?
- ¿Qué podría pasarle a un cohete si supera la velocidad de la luz independientemente de la física?
- ¿Una persona envejecería si pudiera viajar a la velocidad del semáforo o envejecería a una velocidad muy lenta?
Daré una explicación ‘dinámica’. Esto significa que comprender la respuesta requiere cierta comprensión de las fuerzas y la geometría. Lo explicaré desde el punto de vista de un observador inercial.
Seré un poco pedante para evitar la ambigüedad. Como dijo Tucídides al escribir sobre la Guerra del Pelopenesio, no escribo para vender libros, sino para explicar la guerra a los siglos.
El ‘observador’ o ‘marco inercial’ consiste en una gran cantidad de instrumentos de medición, donde:
- Cuadro: todos los instrumentos de medición se mueven a la misma velocidad precisa.
- Localidad: los instrumentos son demasiado pequeños para verse afectados por el estrés interno.
- Inercial: ninguna fuerza mecánica actúa sobre ninguno de los instrumentos.
- Puede haber otros instrumentos de medición que no sean parte del marco de referencia.
Hay dos relojes en este problema que son idénticos pero por su estado de movimiento. Los relojes están hechos de materiales idénticos. Los relojes se ‘programan’ de la misma manera. Ambos relojes tienen su propio oscilador. No hay fuerza externa que actúe en ninguno de los dos relojes. Las fuerzas internas en el reloj hacen que el oscilador se mueva hacia adelante y hacia atrás de una manera que determina la lectura del reloj. El movimiento del oscilador lo lleva a una distancia fija. Las fuerzas internas del reloj aseguran que el oscilador va y viene a una distancia fija.
No necesitaremos una descripción detallada de las fuerzas internas involucradas. Sin embargo, sería útil hacer una descripción muy general.
La mayoría de las fuerzas internas que mantienen unido cada reloj son electromagnéticas. Los electrones y protones tienen una carga eléctrica. Los electrones tienen una carga negativa y los protones tienen una carga positiva. Los protones, los neutrones y los electrones tienen cada uno un dipolo magnético (medio giro).
Las fuerzas electromagnéticas determinan principalmente el movimiento del oscilador. Como una muy buena aproximación, son las fuerzas electromagnéticas las que hacen que el reloj haga tic-tac. Entonces, si exige una explicación adicional, tendré que describir las fuerzas electromagnéticas con gran detalle.
Hay algunas fuerzas que no son electromagnéticas que son significativas dentro del núcleo. La fuerza fuerte mantiene unidos protones y neutrones. La fuerza débil básicamente mantiene unido al neutrón. Debido a que el oscilador es mucho más grande que el átomo, no son tan importantes para la acción de los relojes.
Las fuerzas electromagnéticas tienen un límite superior en velocidad. Esto se determinó antes de que a Einstein se le ocurriera SR. Ninguna perturbación en el campo electromagnético puede moverse más rápido que la velocidad designada ‘c’. Se agregó una suposición adicional de que el mismo límite superior se aplica a las fuerzas no electromagnéticas.
El reloj estacionario es parte del marco inercial, porque se mueve con la misma velocidad precisa que el observador. Recuerde, cualquier instrumento de medición que se mueva en el mismo marco preciso que el observador es parte del marco de referencia del observador.
No hay fuerza electromotriz ni inducción electromagnética que afecte las fuerzas internas que hacen que el oscilatorio se mueva hacia adelante y hacia atrás. Todas las cargas eléctricas y todos los dipolos magnéticos en el reloj son efectivamente estacionarios. Hay líneas de campo magnético y líneas de campo eléctrico que se extienden en el vacío entre partículas. Sin embargo, ninguna partícula atraviesa las líneas de campo.
El reloj en movimiento se mueve a la misma gran velocidad en relación con todos y cada uno de los instrumentos en el marco inercial del observador. Cada partícula se ha movido a través del campo generado por otra partícula. Los campos electromagnéticos no pueden mantenerse completamente debido al límite superior de la velocidad. Entonces, las cargas eléctricas atraviesan campos magnéticos y los dipolos magnéticos atraviesan campos eléctricos.
El oscilador del reloj en movimiento está amortiguado por la fuerza electromotriz (EMF) y la inducción electromagnética. Según la Ley de Lenz, estas fuerzas adicionales tienen que ralentizar el movimiento relativo entre las partículas. Cuando un cuerpo cargado eléctricamente atraviesa un campo magnético, EMF actúa sobre el cuerpo cargado. Cuando un dipolo magnético atraviesa un campo magnético hay una fuerza denominada inducción electromagnética. Un argumento similar se aplica a las fuerzas fuertes y débiles, cuya forma exacta aún no se conoce.
Las partículas en el reloj en movimiento han cambiado en relación con las partículas del reloj estacionario. El movimiento relativo de las partículas en el reloj en movimiento se ha ralentizado. El efecto total es para todos los propósitos cuantitativos como si las partículas hubieran ganado masa inercial debido al movimiento del reloj. Además, la posición de equilibrio de cada partícula tiene que disminuir en la dirección del movimiento. Entonces el espacio entre los átomos ha cambiado.
Esto es cierto para todo el reloj. Sin embargo, solo el oscilador es importante para su pregunta.
Las fuerzas de amortiguación del reloj en movimiento cambian el oscilador en lo que respecta al observador. El oscilatorio en movimiento ahora oscila más lentamente en relación con el reloj estacionario. Para todos los procesos prácticos, el tiempo se ha ralentizado para el reloj en movimiento como lo explicó el observador. Esto se llama dilatación del tiempo de Lorentz. El componente del movimiento paralelo a la velocidad del reloj en movimiento ha cambiado en distancia. El oscilador del reloj en movimiento va y viene en una distancia más corta que el oscilador del reloj estacionario como lo explica el observador. Esto se llama contracción de longitud de Lorentz.
Esta es una descripción minimalista de cómo las fuerzas de movimiento afectan el reloj en movimiento como lo explica el observador. El tiempo medido por el observador es, por definición, las lecturas de tiempo en el reloj estacionario. Las lecturas del reloj en movimiento no corresponden al tiempo experimentado por el observador.
Tenga en cuenta que no hay ningún problema siempre que solo un observador ‘explique’ los resultados. . La teoría dinámica es autoconsistente e incluso intuitiva cuando solo un observador está explicando los resultados.
La explicación “dinámica” de este observador es que el EMF y la inducción eléctrica desaceleraron el reloj en movimiento. El problema es que esta explicación solo es válida para este observador. Otro observador que realice observaciones remotas verá las mismas lecturas de reloj y dará una explicación diferente.
Agrega otro observador. Este se está moviendo con el reloj en movimiento. Entonces, para este segundo observador, el reloj en movimiento es ahora el reloj estacionario y el reloj estacionario es ahora el reloj en movimiento. Entonces, ¿qué tipo de explicación dinámica puede dar el segundo observador?
El segundo observador puede explicar las mismas lecturas de cada reloj utilizando la misma explicación dinámica que el primer observador. Los tiempos de retraso causados por la velocidad de la luz compensan la inversión de roles. La relatividad especial explica cómo la misma explicación puede ser válida para ambos observadores.
Ahora parece trillado llamar al reloj en movimiento ‘roto’. Si la explicación de cada observador es la misma, entonces ambos relojes están intactos. Un reloj simplemente indica la hora correcta para un observador. Puede parecer más simple pensar en el comportamiento diferente de cada reloj como causado por la geometría en lugar de las fuerzas. Las leyes de simetría son básicamente geometría. Tal vez sería más simple pasar las fuerzas e ir directamente al comportamiento de los relojes y gobernantes.
La pregunta reescrita ha sido respondida en términos de dinámica (fuerzas). Todo lo que dije es válido para un observador inercial y su marco. Explicar la consistencia entre los observadores es una pregunta mucho más grande. Esto se debe preguntar y responder por separado en otro hilo. Me detendré aquí.
