Check the new version here

Popular channels

¿Qué pasa si viajamos a la velocidad de la luz? 1° parte



¿Podríamos viajar a la velocidad de la luz?. ¿Hay alguna manera de viajar ala velocidad de la luz? o, los que han leído un poco más sobre la teoría de la relatividad, ¿Qué nos pasaría si viajáramos a la velocidad de la luz?

El tema me encanta, pero hay mucho que decir al respecto y es un poco complejo, en el sentido de que no es muy intuitivo, así que voy a intentar mezclar estas preguntas para responderlas en dos entradas y dejar un tiempo de asimilación en medio.



Así que vamos allá.

Todo lo que se mueve tiene una velocidad. No es nada nuevo.

Baja a la calle y siéntate en un banco. A tu alrededor verás circular coches, motos, bicicletas y personas a velocidades más o menos constantes.



Ahora levántate del banco y date un paseo en una dirección aleatoria a 6 km/h, por poner una cifra. Desde tu perspectiva ya no percibes tu entorno de la misma manera: ahora la gente que se mueve en la dirección opuesta parece alejarse más rápido que si estuvieras sentado, pese a que sigan caminando al a misma velocidad. De la misma manera, los que siguen tu misma dirección parecen desplazarse más despacio.



Podrías incluso montarte en tu propia bicicleta y meterte entre el tráfico a 20 km/h. Los coches, que tenían pinta de moverse muy deprisa cuando estabas sentado, parecen ir más despacio ahora que los sigues a una velocidad más parecida a la suya.

Este es el fenómeno de la velocidad relativa y estoy explicándola de intentando que parezca algo curioso, pero no lo estoy consiguiendo en porque es un concepto que tenemos tan interiorizado que cuando vamos por la calle ni siquiera nos paramos a pensar en que la velocidad a la que vemos pasar las cosas depende de la velocidad a la que nos desplazamos nosotros.

Si, por ejemplo, conducimos por la carretera a 100 km/h y nos adelanta un coche a 220 km/h, nos parecerá que el muy colgado se está alejando de nosotros a 120 km/h, pero esa no es su velocidad real, que es la que lleva respecto al suelo. Para conocer esta velocidad se necesita un observador externo que esté quieto, como un radar de tráfico, que medirá su desplazamiento en 220 km/h.



Pero este concepto tan simple e intuitivo se desmorona cuando intentamos aplicarlo a la luz (o al resto de formas de radiación electromagnética, pero hablaré sólo de la luz para simplificar).

En la década de 1860, James Clerk Maxwell formulaba la teoría clásica de la radiación electromagnética y descubría que la luz se mueve a una velocidad fija dependiendo del medio a través del que se desplaza y que alcanza su velocidad máxima en el vacío, con 299.792,458 km/s que, para simplificar, se suele redondear a 300.000 kilómetros por segundo.

O sea, que Maxwell descubrió que todos los fotones (las partículas que componen la luz) se mueven a una velocidad concreta según cada medio y por eso no vemos rayos de luz más rápidos que otros, adelantándose como si estuvieran en The Fast and the Furious: los fotones se desplazan siempre a la velocidad máxima que su entorno les permite.

Además, cuanto más denso es el medio, más despacio lo atraviesa la luz porque le cuesta más propagarse a través de él. En el aire, por ejemplo, la luz se desplaza a 299.705 km/s. Eso son 88 km/s más despacio que en el vacío, donde no hay partículas que obstaculicen su avance. A través del vidrio su velocidad se reduce a casi 200.000 km/s.

La cuestión es que nada más empezar el siglo XX, Einstein le estuvo dando vueltas a este asunto planteado por Maxwell y se encontró con un dilema. Si la velocidad de la luz es fija e inalterable para un medio determinado, dos personas que se desplazan a velocidades distintas deberían ver un mismo rayo de luz desplazándose a la misma velocidad.

Esto parece bastante contraintuitivo.

En el día a día, si disparamos una bala hacia adelante a 1.000 km/h desde un coche que va a 250 km/h (bueno, supongamos nuestro día a día es un poco gángster), desde el coche veremos la bala a moviéndose a 1.000 km/h, ya que los 250 km/h iniciales que le transfiere el coche también los experimentamos nosotros. Pero, en cambio, la velocidad que lleva la bala respecto al suelo y verá un observador estacionario será de 1.250 km/h.

Si viéramos la escena como observadores externos estacionarios, estas son las velocidades que mediríamos si el coche estuviera quieto o en movimiento:



En cambio, si vagamos por el espacio a 200.000 km/s y encendemos los faros de nuestra nave, veremos la luz saliendo de ellos a 300.000 km/s. Eso no debería extrañarnos porque, al fin y al cabo, desde nuestro punto de vista no se debería notar la velocidad que la nave le imparte al rayo de luz. Pero es que, además, un observador externo que estuviera quieto vería la luz de los faros desplazándose también a 300.000 km/s y no a los 500.000 km/s que cabría esperar si se comportara como lo hace la bala.

De nuevo, siendo observadores externos estacionarios, veríamos estas dos situaciones:


Que el rayo de luz de abajo aparezca de color azulado no es un fallo, explicaré por qué ocurre en la siguiente entrada.

Einstein llegó a la conclusión de que si la velocidad de la luz es inalterable, entonces algo debe cambiar en los propios observadores que afecte a la velocidad con la que la luz parece desplazarse según su perspectiva.

Y se dio cuenta de que ese algo es tiempo (bueno, y el espacio y la masa, pero de eso hablaré el próximo día).

Einstein descubrió que el ritmo con el que pasa el tiempo para un objeto depende de la velocidad a la que éste se desplaza. Esta fue una idea revolucionaria porque significaba que el tiempo ya no era una magnitud absoluta.

Imaginemos que hemos detenido por completo nuestra nave en medio del espacio intergaláctico porque nos hemos agobiado. De repente, nos adelanta otra nave con un reloj enorme en uno de sus lados (al parecer es la moda intergaláctica), yendo cada vez más deprisa. Como estamos quietos, las agujas de ese reloj parecerán moverse cada vez más despacio a medida que la velocidad de la nave aumente hasta que, cuando alcance la velocidad de la luz, se detendrán por completo.

Por otro lado, el piloto de la nave está en las mismas: para él, el tiempo en el interior de la nave pasa con total normalidad y, si nosotros tuviéramos un reloj gigante adornando también nuestro fuselaje, también lo vería pasar a cámara lenta.

Oye, pero, ¿Cómo puede ser que alguien que está quieto vea el reloj de alguien que va muy deprisa moverse a cámara lenta, pero a su vez que quien va muy deprisa vea nos vea a nosotros también a cámara lenta?

Porque, en realidad, tanto da la referencia que se use: puedes describir la situación como que una nave pasa a la velocidad de la luz por delante de una persona o que esa persona se acerca y se aleja a la velocidad de la luz hacia la nave. La situación es exactamente la misma desde el punto de vista de cada observador.

Con esta solución, toda la confusión se arregla: dos personas pueden ver el mismo rayo de luz desplazándose a 300.000 km/s, aunque una de ellas esté quieta y la otra se desplace a gran velocidad, porque su percepción del tiempo cambia.

Llegados a este punto, señalaré que los efectos relativistas empiezan a notarse cuando se viaja a velocidades del orden de los kilómetros por segundo, así que no nos afecta en nuestra vida diaria. Incluso los satélites, que dan vueltas alrededor del planeta a algo menos de 10 km/s, apenas ven pasar el tiempo unos microsegundos más rápido de lo que lo percibimos en la superficie planeta.

Así que, anular todos esos billetes de avión alrededor del planeta, que no va a funcionar.

Todo esto me parece estupendo, pero, ¿hay alguna prueba de esto o realmente fue todo una paranoia de Einstein cogida un poco con pinzas?

Existen pruebas estupendas de que este fenómeno es real.

En 1971 se tomaron cuatro relojes atómicos (que son extremadamente precisos), se sincronizaron y se subieron a bordo de cuatro aviones que darían la vuelta al mundo dos veces: una de ellas hacia el este y la otra hacia el oeste. Utilizando las fórmulas de la teoría de la relatividad, se predijo que los que viajaban hacia el este se adelantarían 40 nanosegundos (± 23 nanosegundos) y los que viajaban hacia el oeste se adelantarían 275 nanosegundos (±21 nanosegundos). Cuando los aviones aterrizaron de nuevo, se compararon los relojes para ver qué marcaban: los que habían viajado hacia el este se habían adelantado 59 (± 10) nanosegundos y los que habían viajado hacia el oeste estaban adelantados 273 (± 7) nanosegundos, demostrando que las predicciones de la teoría de la relatividad eran correctas.

Pero los resultados tienen cierta imprecisión, ¿no? Veo que hay como unos intervalos de incertidumbre.

Las predicciones hechas con los cálculos no podían ser exactas porque hay variables difíciles de tener en cuenta. Por ejemplo, la velocidad del avión no es del todo constante. Además, la gravedad también afecta al transcurso del tiempo (el próximo día todo cobrará sentido, lo prometo) y el campo gravitatorio terrestre tampoco es completamente uniforme a lo largo de toda su superficie debido al diferente grosor de la corteza y las variaciones de composición del planeta. Es por eso que hay cierta incertidumbre en las mediciones pero, pese a estos inconvenientes, los resultados se acercan lo suficiente a la realidad como para considerarlos más que válidos.

De todas maneras, si esta prueba no os convence, existe otra que podemos experimentar en el día a día: la red de comunicaciones de GPS se desmoronaría si no se tuvieran en cuenta los efectos de la relatividad general.

Nuestros aparatos de GPS funcionan leyendo las señales de radio enviadas por a una red 24 de satélites que dan vueltas alrededor de la Tierra a casi 4 km/s a 23.000 km de la superficie. Estas señales de radio viajan a la velocidad de la luz hasta los satélites y nuestros dispositivos, conociendo la velocidad de estas ondas y la distancia que las separa del planeta, pueden calcular el tiempo que ha tardado la señal en llegar hasta ellos. Combinando la medición de 4 satélites, éstos pueden calcular dónde se encuentran sobre la superficie terrestre con una precisión de entre 5 y 10 metros y, además, calcular las coordenadas del lugar al que quieres ir de una manera igual de precisa.


En esta imagen se puede ver cómo cuatro satélites combinan sus lecturas para encontrar el único punto en común que tienen todas, que señala el punto de emisión de la onda.

Ahora bien, a la velocidad a la que viajan estos satélites el efecto de la dilatación temporal es palpable: sus relojes se “adelantan” al mundo unos 38 microsegundos cada día. Para medir con precisión nuestras posiciones, el GPS necesita una precisión de entre 20 y 30 nanosegundos en la medición del tiempo que tarda la señal en alcanzarlo para poder deducir su localización con precisión.

Pero, claro, 38 microsegundos diarios de adelanto son 38.000 nanosengundos, así que una señal retrasada tanto tiempo daría lugar a inmensos fallos de cálculo de la posición de los objetos. De hecho, si no se tuvieran en cuenta estos 38 microsegundos provocados por los efectos relativistas, las mediciones derivadas de las señales de la red de satélites de GPS perderían toda validez en tan sólo 2 minutos.

¿Y esa es toda la historia? ¿Con esto ya hemos arreglado la física?

No del todo. De momento, sólo he mencionado qué ocurre con el tiempo cuando viajamos a velocidades tremendas, así que próximamente hablaré de lo que pasa con el espacio...

GRACIAS AMIGOS, POR METERME EN EL TOP DE HOY CON MÁS PUNTOS




0
0
0
103
0No comments yet