Esto es difícil pero factible de explicar, sin ningún tipo de matemática más allá del uso ocasional de la aritmética básica, si dividimos la historia en fragmentos más pequeños y digeribles, con cada fragmento construyéndose sobre el anterior. Es posible que el niño no entienda todo al principio, pero si está realmente interesado (y muestra suficiente entusiasmo y entusiasmo), puede seguir pensando en ello y seguir revisando la historia con usted.
Además, ¡las ayudas (audio) visuales ayudan mucho! Y hay muchos videos buenos y gratuitos (en YouTube, por ejemplo) que explican la Relatividad Especial a varias profundidades. Elija los videos de los que cree que su hijo podría aprender algo después de verlos usted mismo. (¡O déjelos explorar!) Use esos videos para ayudarlo a contar esta historia.
Pero para contar la historia sin dejar demasiados trozos jugosos, comenzamos con Galileo, no con Einstein.
- Cuando los automóviles de cruces opuestos, la velocidad de cruce es la suma de sus velocidades. ¿Podemos hacerlo para ir más rápido que la velocidad de la luz?
- ¿Cuáles son las pruebas de las teorías de la relatividad de Einstein?
- Si dos naves espaciales se cruzan yendo a .75C pero en la dirección opuesta, ¿serían sus velocidades relativas mayores que la velocidad de la luz?
- ¿Por qué se considera que la luz posee la velocidad más rápida?
- Si la velocidad de un taquión es constante, ¿podemos cambiar la relatividad ya que coincide con la velocidad?
PARTE 1: RELATIVIDAD GALILEA
Este es solo el nombre elegante de Física para nuestro sentido cotidiano e intuitivo de que algunas propiedades físicas cambian según el punto de vista del observador (PoV). En otras palabras, solo tiene sentido pensar en esas propiedades físicas en relación con algún observador; son relativos (de ahí el nombre de “Relatividad”). Lo nombramos como Galileo porque resolvió esto a fines del siglo XVI / principios del siglo XVII.
Imagina que estás parado en una acera de tu vecindario. Usted ve a un ciclista pedaleando lejos del extremo izquierdo de la calle frente a usted, moviéndose a una velocidad constante de 10 km / h hacia su derecha. En el mismo instante, desde el extremo derecho de la calle, observa que un automóvil se mueve hacia su izquierda a una velocidad constante de 20 km / h.
Para el niño en la bicicleta, el auto parecerá moverse hacia él a una velocidad constante de 10 + 20 = 30 kmph. Verá que el auto avanza hacia él más rápido de lo que lo verás pasar junto a ti. Y usted y el camino lo verán pasar más allá de él a una velocidad constante de 10 km / h. Para el ciclista, él es el que se queda quieto; y usted, el camino y todo lo demás a su alrededor se están moviendo.
¿Qué pasa con el conductor del auto? Desde su perspectiva, ella se queda quieta; no se mueve. Usted y el camino la pasan a una velocidad constante de 20 km / h, mientras que el niño en la bicicleta se acerca a ella a una velocidad constante de 10 + 20 = 30 km / h.
De hecho, no solo se queda alejada de su punto de vista. Si cerraba los ojos (o si el automóvil no tenía parabrisas ni ventanas que le permitieran comparar su movimiento con el mundo fuera del automóvil) no tendría forma de saber la diferencia entre no moverse en relación con el suelo o moverse. a una velocidad constante en una dirección fija con respecto al suelo. (Los autos reales se sacuden y traquetean y giran para lograr su movimiento, así que ella todavía lo sabría, pero imagina que conducía un auto especial que no hacía nada de eso, algo así como un avión sin ventanas y de vuelo suave).
Tenga en cuenta que hasta ahora, la forma en que las velocidades se suman direccionalmente cuando cambiamos los puntos de vista es intuitiva y está de acuerdo con nuestra experiencia cotidiana.
La moraleja de la historia (galileana) hasta ahora
Las velocidades de todos solo pueden discutirse en relación con cada observador . No hay un observador absoluto y correcto, y aquellos que perciben las velocidades de manera diferente no están equivocados. (En la vida cotidiana, generalmente hablamos de cosas que se mueven o permanecen quietas en relación con el suelo. Ese es el observador con cuya perspectiva relacionamos todo lo demás. No hace que el suelo sea más correcto que los demás; es el punto de vista más conveniente para usar .)
Lo bueno es que, a pesar de que las velocidades (entre otras cosas) son relativas, las leyes de la física siempre funcionan igual para todos los que se mueven a una velocidad constante en una dirección fija. Nadie puede , si pueden “excluir” el mundo exterior y no tienen nada con lo que comparar su movimiento, saber si no se mueven con respecto al suelo o se mueven a una velocidad constante en una dirección fija con respecto al suelo. Esta similitud de la física en todos los puntos de vista le permite, en función de las velocidades que ve, descubrir qué tan rápido se ve el automóvil para moverse hacia el ciclista. Le permite al conductor averiguar qué tan rápido se mueve el ciclista en relación con usted. Y todo se verificará cuando todos comparen notas. (¿Pero qué pasa con los observadores que aceleran, disminuyen o cambian de dirección (es decir, aceleran o desaceleran)? La física funciona de manera diferente para ellos. Esa es una historia para otro día, por lo que no la cubriremos aquí).
Además, en este punto de nuestra historia, todo el mundo parece estar siempre de acuerdo en la distancia entre las cosas y cuánto tiempo pasa entre los eventos . En este punto, parece que la distancia y el tiempo no son relativos.
PARTE 2: ESPERE, ALGO ESTÁ INCORRECTO CON ESTA HISTORIA (GALILEA) …
A finales de 1800, la gente descubrió algunas formas realmente geniales de medir la velocidad de la luz. (Esa es otra historia (¡increíble!). Echa un vistazo al experimento de Michelson-Morley.) La cosa es que, no importa cómo lo hicieron, no importa qué tan rápido se movieron, qué tan quietos se pararon en relación con el suelo o en qué dirección se movieron. enfrentado: la velocidad de la luz siempre se veía igual (en el mismo medio; cuando la luz pasa entre diferentes medios, podemos decir que se acelera o disminuye porque su trayectoria se dobla).
¡Esto no tenía sentido! Si estuviera en bicicleta, un rayo de luz de la antorcha de su bicicleta se vería como si estuviera brillando a una velocidad constante, c, por ejemplo. Para su amigo parado en el suelo que lo ve andar en bicicleta hacia él a una velocidad fija, v, el rayo de luz debería verse brillando a una constante v + c. Pero en todas las formas en que la gente lo midió, siempre terminó siendo c.
(Fuente de la imagen: Opción de relatividad)
En otras palabras, si Galileo tenía razón, entonces, como cualquier otra velocidad que medimos, la velocidad de la luz debería ser relativa al observador. Pero eso no fue lo que la gente encontró cuando realmente lo midieron. Entonces, ¿qué estaba pasando aquí?
PARTE 3: EINSTEIN AL RESCATE – INTRODUCCIÓN A LA RELATIVIDAD ESPECIAL
Todos pensaron que tenía que haber algo mal con las mediciones. Pero Einstein se preguntó (a principios del siglo XX): ¿Qué pasaría si las mediciones estuvieran bien y las ideas de Galileo sobre cómo funciona la física fueran erróneas? Entonces comenzó a tratar de reinventar la Física para que estuviera de acuerdo con todos los experimentos.
Para hacer eso, todavía necesitaba algunas reglas básicas.
Reglas básicas de Einstein: poner lo “especial” en la relatividad especial
Una cosa sobre la que Galileo todavía tenía que estar en lo cierto era que la Física, sin embargo, funciona, siempre funciona igual para todos los que se mueven a una velocidad constante en una dirección fija . Nadie, si estuvieran en una caja cerrada, como un avión sin ventanas que vuela sin problemas, que podría “excluir” todo afuera para comparar el movimiento, debería ser capaz de determinar si no se mueven en relación con el suelo o se mueven a una velocidad constante en una dirección fija en relación con el suelo. Entonces, incluso cuando vemos las cosas (como las velocidades) de manera diferente, aún deberíamos ser capaces de descubrir lo que ve otro observador. Y viceversa. Cuando comparamos las notas, todo debería coincidir. Así que esta fue la primera regla básica de Einstein para su nueva Física.
Y para asegurarse de que su nueva Física estuviera de acuerdo con los experimentos, su segunda regla básica era que todos los que se mueven a una velocidad constante en una dirección fija siempre medirán la misma velocidad constante de luz (dentro del mismo medio).
De nuevo, puede que se pregunte: ¿qué pasa con los observadores que aceleran, disminuyen o cambian de dirección? Esos casos más generales que Einstein exploró en (redoble de batería, por favor) Relatividad general. En este momento, nos estamos centrando en la Relatividad Especial (el título poco creativo) precisamente porque solo estamos pensando en los casos especiales en que los observadores se mueven a una velocidad constante en una dirección fija. Esos casos más generales son una historia para otro día, que no cubriremos aquí.
Con estas reglas básicas, estamos listos para usar nuestra imaginación como lo hizo Einstein.
El equipo de etiqueta blando, elástico y espacio-tiempo: un experimento imaginario
Piensa en ti mismo sentado dentro de un vagón de tren. El piso y el techo del carro tienen espejos. Un haz de luz rebota de un lado a otro desde el espejo del piso al espejo del techo de regreso al espejo del piso, y así sucesivamente. En un ciclo, verá que el haz de luz recorre la altura de su vagón de tren dos veces (primero hacia arriba y luego hacia abajo). Crucialmente, ves que el haz de luz sube y baja a una velocidad constante, c.
Mientras tanto, tu amigo Bob está parado en la plataforma del tren frente a las vías del tren. Él ve que su tren pasa de su izquierda a su derecha a una velocidad fija, v. Lo que significa que, cuando Bob mira por la ventanilla del carro, lo ve sentado dentro del tren, también moviéndose a gran velocidad, v. Para él, el el rayo de luz rebota diagonalmente de un espejo a otro, cubriendo una distancia cada ciclo mayor de lo que ves, porque el tren y los espejos se mueven. Entonces el rayo de luz tiene que moverse con ellos para seguir alcanzando los espejos. Crucialmente, Bob también ve el rayo de luz deslizándose hacia adelante y hacia atrás a la misma velocidad fija, c, que tú.
La velocidad es realmente la distancia que recorres en un período de tiempo determinado. Entonces, ¿cómo ve Bob la misma velocidad de luz, c, que usted, a pesar de ver que el haz de luz recorre una distancia mayor que la suya para completar un ciclo? La única forma es que él vea que el haz de luz toma más tiempo para completar el ciclo que tú . En otras palabras, en comparación con Bob, la distancia que mides para el mismo ciclo de haz de luz es aplastada. ¡Y ha pasado menos tiempo para usted que para Bob en un ciclo de haz de luz, lo que significa que el tiempo corre más lento / es más extenso para usted que para Bob!
Pero seamos claros: ¿qué queremos decir cuando decimos que el espacio se retuerce? Queremos decir que mientras está dentro del vagón del tren, si toma una regla para medir la distancia entre, digamos … su silla y el espejo del piso, no solo es esa distancia dentro del vagón del tren más corta de lo que Bob mide mientras él se queda quieto en la plataforma, ¡pero tu regla es más corta mientras está dentro del tren en movimiento también! Entonces, para usted, todo en el tren en movimiento se ve de tamaño normal. Solo nota el espacio aplastado si compara su regla con la de Bob, es decir, si cambia de su PoV a Bob.
También seamos claros: ¿qué queremos decir cuando decimos que el tiempo se extiende? Queremos decir que mientras está dentro del vagón del tren, si usa un reloj para medir el tiempo que tarda el haz de luz en completar un ciclo, no solo ese tiempo dentro del vagón del tren es menor que lo que Bob mide mientras está parado todavía en la plataforma, ¡pero su reloj funciona más lentamente mientras está dentro del tren en movimiento también! Entonces, para ti, el tiempo parece que fluye normalmente. Solo nota el tiempo extendido, si compara el suyo con el de Bob, es decir, si cambia de su PoV a Bob.
“Hooold on … ¿por qué no vemos el squish espacial y el tiempo estirar todos los días?”
Aquí está la cosa: la luz se mueve rápido. Me gusta realmente rápido. Súper rápido. Ultra rápido ¡En un segundo, viaja casi 300,000 kmps! Incluso nuestros trenes bala más rápidos solo alcanzan unos 375 km / h. ¡Entonces la luz es casi 3 millones de veces más rápida que nuestros trenes bala más rápidos!
¿Todo este espacio aplastado y efectos de tiempo estirado? ¿Las cosas sobre diferentes observadores en desacuerdo sobre distancias e intervalos de tiempo? Realmente solo nos damos cuenta de que cuando los observadores comienzan a viajar a una velocidad cercana a la de la luz, es decir, cuando la v de nuestro vagón de tren está mucho más cerca de c. Solo entonces, nos damos cuenta de repente de lo que han pasado bajo nuestras narices.
De lo contrario, a nuestras velocidades de caracol lento (en comparación con la luz), v, en la vida cotidiana, la flexibilidad del espacio y la extensión del tiempo son tan increíblemente pequeños que no podemos notarlos. Es por eso que parece que todos estamos de acuerdo en distancias e intervalos de tiempo.
¿Y la nueva física de Einstein? Bueno, a nuestras velocidades cotidianas lentas, v, su nueva Física se parece casi exactamente a la antigua Física de Galileo. Es por eso que para nuestra vida cotidiana (¡o incluso para enviar astronautas a la Luna!), La antigua Física de Galileo está tan cerca de tener razón, que bien podría ser.
¿Pero una vez que comenzamos a acercarnos lo suficiente a la velocidad de la luz? Una vez que v se vuelve comparable a c? La física de Galileo se desmorona. Pero Einstein se sostiene. Por ejemplo, han realizado experimentos en aviones Concorde (que vuelan a aproximadamente 2000 km / h, por lo que la luz es solo 540 mil veces más rápida que esas) con relojes atómicos increíblemente precisos que pueden rastrear pequeñas fracciones de segundo. Entonces, en realidad notaron que el tiempo se extendía en el reloj del avión, en comparación con su reloj gemelo en el suelo.
La moraleja de la historia de Einsteinien hasta ahora
Einstein se dio cuenta de que el error de Galileo fue pensar que el espacio y el tiempo son absolutos; que todos los observadores están de acuerdo con ellos. De hecho, las distancias y los intervalos de tiempo son relativos al observador . Los observadores que se mueven a diferentes velocidades percibirán las distancias entre objetos y los intervalos de tiempo entre eventos de manera diferente, al igual que perciben las velocidades de manera diferente. Solo podemos notar realmente estos efectos si nos movemos a una velocidad cercana a la de la luz (es decir, para v comparable a c). A pesar de todos nuestros movimientos de caracol lento (en comparación con la luz) en la vida cotidiana, la compresión espacial y el estiramiento del tiempo son tan pequeños que ni siquiera nos damos cuenta de que están sucediendo.
Una vez más, ningún PoV es más correcto que los demás; no PoV está mal. Cuando cambiamos de un punto de vista a otro, el espacio se aplasta y el tiempo se estira; siempre etiquetan al equipo para asegurarse de que todos los puntos de vista estén de acuerdo con la velocidad de la luz . Esta agrupación de etiquetas también garantiza que la Física funcione de la misma manera en todos los puntos de vista , y que cuando diferentes observadores comparen notas, todo irá bien. Y nadie debería poder darse cuenta si no se están moviendo en relación con el suelo o si se mueven a una velocidad constante en una dirección fija en relación con el suelo.
PARTE 4: MÁS RELATIVIDAD ESPECIAL: EL LÍMITE DE VELOCIDAD CÓSMICA
En nuestra forma cotidiana de física de Galileo, las velocidades pueden sumarse de forma clara e intuitiva cuando cambiamos de un punto de vista a otro. Por ejemplo: el conductor del automóvil de la PARTE 1 que vio al niño en la bicicleta deslizarse hacia ella a 10 + 20 = 30 kmph, mientras que usted, parado en el suelo, la vio conducir a 20 kmph y usted vio al niño en la bicicleta. a 10 kmph.
En la nueva Física de Einstein, las velocidades ya no actúan de esa manera. Esto se debe a que, cuando cambiamos los puntos de vista, y el equipo de etiqueta de espacio-tiempo se retuerce y estira para asegurarse de que la velocidad de la luz se vea igual, las velocidades de otros objetos también se estiran. Entonces, estas velocidades que no son de luz se suman direccionalmente de una manera extraña, fría, blanda y elástica cuando cambiamos los puntos de vista.
Pregunta de ejemplo: Un niño con superfuerza lanza una pelota a lo que él ve como 60% de la velocidad de la luz mientras está parado en un tren. El tren se mueve con relación al suelo al 60% de la velocidad de la luz. ¿Qué tan rápido te miraría la pelota si estuvieras parado en la plataforma del tren, viendo pasar el tren y mirando por la ventana?
Respuesta: ¡ Parece que la pelota se mueve a aproximadamente el 88% de la velocidad de la luz, en lugar de la intuitiva velocidad 120% más rápida que la luz que esperarías! (La matemática detrás de esto es un poco avanzada, por lo que nos saltaremos. Lo siento, pero espero que estés bien solo tomando mi palabra).
Además de mostrar que las velocidades se suman direccionalmente de una forma extraña y estirada cuando cambiamos los puntos de vista, este ejemplo también sugiere algo más profundo y extraño:
Si seguimos agregando capas al ejemplo anterior … digamos, la bola disparó una bala de su cuerpo al 70% de la velocidad de la luz, y la bala disparó un átomo al 80% de la velocidad de la luz, y ese átomo arrojó un electrón al 90% velocidad de la luz, y así sucesivamente … lo extraño es que el eslabón final en la cadena * aún * no habría alcanzado la velocidad de la luz, c. Cada nueva capa que agregamos se acercaría, pero nunca tocaría c.
El equipo de etiqueta de espacio-tiempo blando y elástico que trabaja en conjunto para asegurarse de que la Física funcione igual para todos y que todos midan la misma velocidad de la luz, c, sin importar su propia velocidad relativa (constante) (en una dirección fija), también nos impide alcanzar la velocidad de la luz, c. Es como si c es un límite de velocidad cósmica divinamente ordenado, irrompible para nosotros . No podemos alcanzar c, y tampoco podemos ir más rápido que c .
¿Pero la luz no se mueve más lentamente en el agua que en el aire? ¿Y la luz no se mueve más lentamente en el aire que en el espacio? ¡Bueno, sí! Si ese es el caso, ¿cuál de estos es el límite máximo de velocidad cósmica? Bueno, el límite de velocidad cósmica es realmente la velocidad de la luz en su configuración más rápida posible, es decir, en el vacío , como lo que hay en el espacio exterior.
Parte 5: ¿Qué hace que la luz sea tan especial? ¿Cuál es el gran problema con c?
Bien … entonces no podemos movernos a la velocidad de la luz en el vacío, c. Ni siquiera podemos alcanzar esa velocidad, y ciertamente no podemos ir más rápido que eso. Pero, ¿por qué la luz puede ir tan rápido? ¿Qué tiene de especial la luz?
Bueno, resulta que la luz no tiene masa . Pero nosotros sí . Por lo tanto, cualquier cosa sin masa va a una velocidad de c en el vacío (recuerde, c es poco menos de 300,000 kmps). Hay pequeñas partículas extrañas y extrañas llamadas gluones. Tampoco tienen masa. Estos pequeños taladores se mueven en c como la luz. Puede haber otro tipo de pequeña partícula llamada gravitón. Si existen gravitones, definitivamente tampoco tienen masa, por lo que también se mueven en c como la luz.
Cualquier cosa con más de cero masa tiene que ir más lento que c . Esos somos todos, y estamos hechos de casi todas las cosas en nosotros. ¿Por qué? Porque para cosas con masa, tienes que trabajar para que se muevan. Y el trabajo requiere energía. Cuanto más rápido quieras mover cosas masivas, más trabajo tienes que hacer, más energía tienes para alimentarlas. Y resulta que las cosas con masa necesitan ser alimentadas con un suministro interminable de energía antes de llegar a alcanzar c .
De acuerdo … genial. La luz (y un par de sus otros amigos) no tienen masa, por lo que solo pueden moverse al límite de velocidad cósmica. Pero, ¿por qué todos tenemos que acordar la velocidad de la luz (y sus amigos sin masa)?
Aquí es donde tengo que pedirte perdón. Te he estado mintiendo ligeramente todo este tiempo. Todo esto mientras he estado diciendo que c es la velocidad de la luz, y todo el mundo siempre tiene que ver la misma velocidad de la luz, sin importar la velocidad (constante) y la dirección (fija) en la que se mueven en / hacia adentro. Realmente, esa es solo la historia de cómo descubrimos esto … porque la luz es muy común y la vemos todo el tiempo. Cuanto más lo pensamos, más nos damos cuenta: la luz simplemente se mueve en c solo porque no tiene masa.
En realidad, no todos estamos de acuerdo con la velocidad de la luz; Eso es solo una coincidencia. Todos estamos realmente de acuerdo sobre el límite de velocidad cósmica, c . Eso es lo fundamental del universo, y es por eso que todos tenemos que estar de acuerdo. Puedes pensar que c es realmente la velocidad de causa y efecto.
Nadie ve pelotas de baloncesto entrando en una red antes de ser lanzadas. Nadie ve que las tazas de café se rompen antes de que la gente las deje caer. Nadie puede ver ningún efecto antes de lo que lo causó. Si lo hubiera, todos estaríamos en desacuerdo sobre causa y efecto de la misma manera en que no estamos de acuerdo con las velocidades, distancias e intervalos de tiempo (y algunas otras cosas que no hemos discutido aquí).
El hecho de que todos estemos de acuerdo en que las causas tienen que suceder antes de los efectos, que tenemos que encender las linternas antes de que puedan brillar, por ejemplo, es todo gracias al límite de velocidad cósmica, c. Y todos estamos de acuerdo en que las causas suceden antes de que los efectos se aseguren de que la Física funcione de la misma manera para todos, sin importar qué tan rápido (constantemente) vayan y en qué dirección (fija) van. Se asegura de que todos podamos comparar notas y todo va a salir
Y de eso se trata realmente c: causa y efecto, y la física no se rompe.
PARTE 6: DONDE TERMINA NUESTRA PARTE DE LA HISTORIA … Y DONDE COMIENZA EL RESTO
Realmente solo hemos sumergido nuestro dedo meñique en la Relatividad Especial del Lago. Este es un lago realmente grande y profundo. (¡Y la Relatividad Especial del Lago es solo una pequeña parte de la Relatividad General del Lago aún más grande y profunda!) Y lo que hemos cubierto está lleno de simplificaciones excesivas. Pero este, hasta ahora, es un buen lugar para comenzar la historia de la Relatividad Especial.
¡Elogie a este niño por su interés y dígale que debe mantener la curiosidad! Y si no entienden la historia la primera vez, ¡está bien! Es normal; es natural. Incluso los adultos (¡incluido el propio Einstein!) Encuentran esto realmente difícil, al menos al principio. Sigue escuchando esta historia una y otra vez, y sigue pensando en ello. Sigue haciendo preguntas y sigue buscando respuestas. Todo esto será más fácil a medida que continúes. 🙂
