RobotRollCall me iluminó cuando escribió lo siguiente:
¿Por qué exactamente nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz? • r / askcience
Hay muchas explicaciones simples e intuitivas de esto por ahí … pero las odio a todas. Puede buscar un poco en Google y encontrar una discusión sobre algo llamado “masa relativista” y cómo se requiere más fuerza para acelerar un objeto que ya se está moviendo a alta velocidad, cosas así. Esa es una forma venerable de interpretar las matemáticas de la relatividad especial , pero lo encuentro innecesariamente engañoso y confuso para el estudiante que está sumergiendo su primer dedo en el océano de la física moderna. Hace que el universo suene como un lugar muy diferente y mucho menos maravilloso de lo que realmente es, y por eso me molesta un poco.
Cuando hablo sobre este tema, lo hago en términos de la interpretación geométrica que es consistente con la relatividad general . Es menos sencillo, pero no implica nada fundamentalmente más difícil que las flechas en trozos de papel, y creo que ofrece una comprensión mucho mejor del universo en el que vivimos que esconderse detrás de abstracciones como “fuerza” y falsedades directas como “relativismo”. masa.” Tal vez funcione para ti, tal vez no, pero aquí está en cualquier caso.
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Primero, hablemos de direcciones, solo para orientarnos. “Hacia abajo” es una dirección. Se define como la dirección en que caen las cosas cuando las sueltas. “Hacia arriba” es también una dirección; Es lo opuesto a abajo. Si tiene una brújula a mano, podemos definir direcciones adicionales: hacia el norte, hacia el sur, hacia el este y hacia el oeste. Estas instrucciones se definen en términos de algo, algo que nosotros en el negocio llamaríamos una “base ortonormal”, pero olvidemos eso ahora. Supongamos que estas seis direcciones son absolutas, porque para lo que estamos a punto de hacer, también podrían serlo.
Te voy a pedir que imagines dos direcciones más: hacia el futuro y hacia el pasado. Obviamente, no puede apuntar en esas direcciones, pero no debería ser demasiado difícil para usted comprenderlas intuitivamente. Futuro es la dirección en la que se encuentra el mañana; Pasado es la dirección en la que se encuentra el ayer.
Estas ocho direcciones juntas, hacia arriba, hacia abajo, hacia el norte, hacia el sur, hacia el este, hacia el oeste, hacia el pasado, hacia el futuro, describen la geometría fundamental del universo. Cada par de direcciones que podemos llamar una “dimensión”, por lo que el universo en el que vivimos es de cuatro dimensiones. Otro término para esta forma de pensar en cuatro dimensiones sobre el universo es “espacio-tiempo”. Intentaré evitar usar esa palabra cuando sea necesario, pero si me equivoco, solo recuerda que en este contexto “espacio-tiempo” básicamente significa “el universo”.
Así que ese es el escenario. Ahora consideremos a los jugadores.
Usted, sentado allí ahora mismo, está en movimiento. No parece que te estés moviendo. Se siente como si estuvieras en reposo. Pero eso es solo porque todo a tu alrededor también está en movimiento. No, no estoy hablando del hecho de que la Tierra está girando o de que nuestro sol se está moviendo a través de la galaxia y arrastrándonos con ella. Esas cosas son ciertas, pero estamos ignorando ese tipo de cosas en este momento. El movimiento al que me refiero es el movimiento en la dirección hacia el futuro.
Imagina que estás en un vagón de tren y las persianas se colocan sobre las ventanas. No puede ver el exterior, y imaginemos más (solo por el argumento) que los rieles son tan perfectos y las ruedas tan perfectas que no se puede sentir cuando el tren está en movimiento. Así que solo sentado allí, no puedes saber si te estás moviendo o no. Si miraras por la ventana, podrías verlo: o verías el paisaje quieto o pasarás de largo. Pero con las sombras dibujadas sobre las ventanas, esa no es una opción, por lo que realmente no puede saber si está en movimiento o no.
Pero hay una manera de saber, de manera concluyente, si te estás mudando. Eso es solo sentarse pacientemente y esperar. Si el tren está sentado en la estación, no pasará nada. Pero si se está moviendo, tarde o temprano llegarás a la siguiente estación.
En esta metáfora, el vagón del tren es todo lo que puedes ver a tu alrededor en el universo: tu casa, tu mascota erizo Jeremy, las estrellas más distantes del cielo, todo. Y la “próxima estación” es mañana.
Simplemente sentado allí, no parece que te estés moviendo. Se siente como si estuvieras sentado quieto. Pero si te sientas allí y no haces nada, inevitablemente llegarás a mañana.
Eso es lo que significa estar en movimiento en la dirección hacia el futuro. Usted, y todo lo que lo rodea, se está moviendo actualmente hacia el futuro, hacia el mañana. No puedes sentirlo, pero si solo te sientas y esperas un poco, sabrás que es verdad.
Hasta ahora, creo que todo esto ha sido bastante fácil de visualizar. Un poco desafiante tal vez; Puede que no sea intuitivo pensar en el tiempo como una dirección y en ti mismo como moviéndote a través de él. Pero no creo que nada de esto haya sido demasiado difícil hasta ahora.
Bueno, eso está a punto de cambiar. Porque voy a tener que pedirte que ejercites tu imaginación un poco a partir de ahora.
Imagine que conduce en su automóvil cuando sucede algo terrible: los frenos fallan. Por una extraña coincidencia, en el mismo momento exacto, el acelerador y la palanca de cambios se atascan. No puedes acelerar ni disminuir la velocidad. Lo único que funciona es el volante. Puede girar, cambiando su dirección, pero no puede cambiar su velocidad en absoluto.
Por supuesto, lo primero que debe hacer es girar hacia lo más suave que pueda ver en un esfuerzo por detener el automóvil. Pero ignoremos eso ahora mismo. Centrémonos solo en las características peculiares de su automóvil que funciona mal. Puede cambiar su dirección, pero no puede cambiar su velocidad.
Así es moverse por nuestro universo. Tienes un volante, pero no acelerador. Cuando te sientas allí en aparente descanso, realmente estás girando hacia el futuro a toda velocidad. Pero cuando te levantas para poner la tetera, cambias tu dirección de movimiento a través del espacio-tiempo, pero no tu velocidad de movimiento a través del espacio-tiempo. Entonces, a medida que te mueves por el espacio un poco más rápido, te encuentras moviéndote a través del tiempo un poco más lentamente.
Puede visualizar esto imaginando un par de ejes dibujados en una hoja de papel. El eje que corre hacia arriba y hacia abajo es el eje del tiempo, y la dirección hacia arriba apunta hacia el futuro. El eje horizontal representa el espacio. Solo estamos considerando una dimensión del espacio, porque un trozo de papel solo tiene dos dimensiones en total y estamos todos fuera, pero solo tenga en cuenta que la idea básica se aplica a las tres dimensiones del espacio.
Dibuje una flecha que comience en el origen, donde se cruzan los ejes, apuntando hacia arriba a lo largo del eje vertical. No importa qué tan larga sea la flecha; Solo sé que solo puede tener una longitud. Esta flecha, que ahora apunta hacia el futuro, representa una cantidad que los físicos llaman cuatro velocidades. Es tu velocidad a través del espacio-tiempo. En este momento, muestra que no te mueves en el espacio en absoluto, por lo que apunta directamente hacia el futuro.
Si desea moverse a través del espacio, por ejemplo, a la derecha a lo largo del eje horizontal, debe cambiar su velocidad de cuatro para incluir algún componente horizontal. Es decir, debe girar la flecha. Pero a medida que lo haga, observe que la flecha ahora apunta menos en la dirección hacia el futuro, hacia arriba a lo largo del eje vertical, que antes. Ahora te estás moviendo a través del espacio, como lo demuestra el hecho de que tu velocidad de cuatro velocidades ahora tiene un componente espacial, pero debes abandonar parte de tu movimiento hacia el futuro, ya que la flecha de cuatro velocidades solo puede girar y nunca estirarse o encogerse.
Este es el origen del famoso efecto de “dilatación del tiempo” del que todos hablan cuando hablan de relatividad especial. Si te mueves por el espacio, entonces no te mueves a través del tiempo tan rápido como lo harías si estuvieras sentado quieto. Su reloj funcionará más lentamente que el reloj de una persona que no se está moviendo.
Esto también explica por qué la frase “más rápido que la luz” no tiene sentido en nuestro universo. Mira, ¿qué pasa si quieres moverte por el espacio lo más rápido posible? Bueno, obviamente giras la flecha, tu velocidad de cuatro, hasta que apunta directamente a lo largo del eje horizontal. Pero espera. La flecha no puede estirarse, recuerda. Solo puede rotar. Entonces has aumentado tu velocidad a través del espacio tanto como sea posible. No hay forma de ir más rápido por el espacio. No hay rotación que pueda aplicar a esa flecha para que apunte más en dirección horizontal. Apunta tan horizontalmente como puede. Ni siquiera es realmente significativo pensar que algo es “más horizontal que horizontal”. Visto desde esta perspectiva, toda la idea parece bastante tonta. O la flecha apunta directamente a la derecha o no, y una vez que lo hace, no se puede hacer que apunte más recto. Es lo más directo posible.
Es por eso que nada en nuestro universo puede ir más rápido que la luz. Porque la frase “más rápido que la luz”, en nuestro universo, es exactamente equivalente a la frase “más recto que recto” o “más horizontal que horizontal”. No significa nada
Ahora, hay algunos misterios aquí. ¿Por qué los vectores de cuatro velocidades solo rotan y nunca se estiran o encogen? Hay una respuesta a esa pregunta, y tiene que ver con la invariabilidad de la velocidad de la luz. Pero ya divagué bastante aquí, así que creo que lo guardaremos para otro momento. Por ahora, si solo crees que las cuatro velocidades nunca pueden estirarse o encogerse porque así son las cosas, entonces solo estarás un poco menos informado sobre el tema que los físicos más brillantes que jamás hayan vivido.
EDITAR: Hay una discusión a continuación que entra en más detalles sobre la geometría del espacio-tiempo. El modelo simplificado que describí aquí hablaba de círculos y rotaciones euclidianas. En la vida real, la geometría del espacio-tiempo es Minkowskian, y las rotaciones son hiperbólicas. Elegí pasar por alto ese detalle para no hacer que un concepto desafiante sea aún más difícil de visualizar, pero como otros han señalado, es posible que haya hecho un mal servicio al no mencionar lo que estaba simplificando. Por favor lea los seguimientos.