¿Por qué no puedes viajar a la velocidad de la luz?
Una breve historia de la teoría de la relatividad de Einstein
- Si estuviera en una nave espacial viajando a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, ¿la luz entrante aún se mediría (por mí) a 299,792,458 m / s?
- ¿Qué pasaría si una bala de calibre .50 que viaja a la velocidad de la luz del 99.99999% golpea el Océano Pacífico? (¿Y no se quemó en la atmósfera)?
- ¿Puede la antimateria ser una partícula que va más rápido que la luz, lo que los hace retroceder en el tiempo?
- ¿Cómo funcionan el sistema de navegación inercial y el sistema de referencia inercial en un avión?
- ¿Cuáles fueron algunos de los primeros experimentos que demostraron el efecto de la gravedad en el tiempo, como la dilatación del tiempo?
Albert Einstein es famoso por muchas cosas, entre ellas sus teorías de la relatividad. La primera, la teoría especial de la relatividad, fue la que comenzó la reputación del físico por destrozar la cosmovisión clásica que había existido antes. La relatividad especial, una forma de relacionar el movimiento de los objetos en el universo, llevó a los científicos a reevaluar sus suposiciones sobre cosas tan fundamentales como el tiempo y el espacio. Y condujo a importantes revelaciones sobre la relación entre energía y materia.
La relatividad especial fue publicada por Einstein en 1905, en un artículo titulado “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”. Llegó a él después de detectar un conflicto que notó entre las ecuaciones de electricidad y magnetismo, que el físico James Clerk Maxwell había desarrollado recientemente, y las leyes de movimiento más establecidas de Isaac Newton.
La luz, según Maxwell, era una vibración en el campo electromagnético y viajaba a una velocidad constante en el vacío. Más de 100 años antes, Newton había establecido sus leyes de movimiento y, junto con las ideas de Galileo Galilei, mostraban cómo la velocidad de un objeto sería diferente dependiendo de quién lo midiera y cómo se movían en relación con el objeto. Una pelota que estás sosteniendo te parecerá inmóvil, incluso cuando estás en un automóvil en movimiento. Pero esa pelota parecerá moverse a cualquiera que esté parado en la acera.
Pero había un problema al aplicar las leyes del movimiento de Newton a la luz. En las ecuaciones de Maxwell, la velocidad de las ondas electromagnéticas es una constante definida por las propiedades del material a través del cual se mueven las ondas. No hay nada allí que permita que la velocidad de estas ondas sea diferente para diferentes personas dependiendo de cómo se mueven entre sí. Lo cual es extraño, si lo piensas.
Imagine a alguien sentado en un tren estacionario, lanzando una pelota desde donde está sentado a la pared opuesta, a unos metros más abajo del tren. Usted, parado en la plataforma de la estación, mide la velocidad de la pelota al mismo valor que la persona en el tren.
Ahora el tren comienza a moverse (en la dirección de la pelota), y nuevamente mide la velocidad de la pelota. Lo calcularía correctamente como más alto: la velocidad inicial (es decir, cuando el tren estaba en reposo) más la velocidad de avance del tren. Mientras tanto, en el tren, el jugador no notará nada diferente. Sus dos valores para la velocidad de la pelota serán diferentes; ambos correctos para sus marcos de referencia.
Reemplace la pelota con luz y este cálculo sale mal. Si la persona en el tren brillara una luz en la pared opuesta y midiera la velocidad de las partículas de luz (fotones), tanto usted como el pasajero encontrarían que los fotones tenían la misma velocidad en todo momento. En todos los casos, la velocidad de los fotones se mantendría a poco menos de 300,000 kilómetros por segundo, como dicen las ecuaciones de Maxwell.
Einstein tomó esta idea, la invariancia de la velocidad de la luz, como uno de sus dos postulados para la teoría especial de la relatividad. El otro postulado fue que las leyes de la física son las mismas donde quiera que se encuentre, ya sea en un avión o de pie en un camino rural. Pero para mantener constante la velocidad de la luz en todo momento y para todos los observadores, en la relatividad especial, el espacio y el tiempo se vuelven elásticos y variables. El tiempo no es absoluto, por ejemplo. Un reloj en movimiento funciona más lentamente que uno estacionario. Viaja a la velocidad de la luz y, teóricamente, el reloj se detendría por completo.
La cantidad de tiempo que se dilata puede calcularse mediante las dos ecuaciones anteriores. A la derecha, Δt es el intervalo de tiempo entre dos eventos medido por la persona a la que afectan. (En nuestro ejemplo anterior, esta sería la persona en el tren). A la izquierda, Δt ‘es el intervalo de tiempo entre los mismos dos eventos pero medido por un observador externo en un marco de referencia separado (la persona en la plataforma) . Estas dos veces están relacionadas por el factor de Lorentz (γ), que en este ejemplo es un término que tiene en cuenta la velocidad (v) del tren en relación con la plataforma de la estación, que está “en reposo”. En esta expresión, c es una constante igual a la velocidad de la luz en el vacío.
La longitud de los objetos en movimiento también se reduce en la dirección en que se mueven. Llegue a la velocidad de la luz (no es realmente posible, pero imagine si pudiera por un momento) y la longitud del objeto se reduciría a cero.
La longitud contraída de un objeto en movimiento en relación con una estacionaria se puede calcular dividiendo la longitud adecuada por el factor de Lorentz; si fuera posible que un objeto alcanzara la velocidad de la luz, su longitud se reduciría a cero.
Es importante tener en cuenta que si usted fuera la persona que se movía cada vez más rápido, no notaría nada: el tiempo correría normalmente para usted y no se le aplastaría la longitud. Pero cualquiera que lo mire desde la plataforma de la estación celestial podría medir las diferencias, calculadas a partir del factor Lorentz. Sin embargo, para los objetos cotidianos y las velocidades cotidianas, el factor de Lorentz estará cerca de 1; solo a velocidades cercanas a la de la luz, los efectos relativistas necesitan una atención seria.
Otra característica que emerge de la relatividad especial es que, a medida que algo se acelera, su masa aumenta en comparación con su masa en reposo, y la masa del objeto en movimiento se determina multiplicando su masa en reposo por el factor de Lorentz. Este aumento en la masa relativista hace que cada unidad adicional de energía que pones para acelerar el objeto sea menos efectiva para que se mueva más rápido.
A medida que aumenta la velocidad del objeto y comienza a alcanzar fracciones apreciables de la velocidad de la luz (c), la porción de energía que entra para hacer que el objeto sea más masivo se hace más y más grande.
Esto explica por qué nada puede viajar más rápido que la luz: a la velocidad de la luz o cerca de ella, cualquier energía adicional que ponga en un objeto no hace que se mueva más rápido, sino que solo aumenta su masa. Masa y energía son lo mismo: este es un resultado profundamente importante. Pero esa es otra historia.