Partiremos describiendo los movimientos de los cuerpos en relación a la gravedad, la velocidad de la luz en el espacio y su relación con el tiempo, la revolución causada por Einstein y culminaremos en el concepto de lo que hoy en día se conoce como espacio-tiempo.
Quiero dejar en claro que no soy físico ni astrónomo; solo me impulsa el deseo de transmitir con humildad, asombro y profundo respeto las maravillas de la ciencia y de la naturaleza. Aclaro esto ya que utilizo como guía y en muchos casos transcribo datos de libros (del gran Stephen Hawking).
De igual forma espero que les deje algo positivo su lectura.
a. Cuerpos en movimiento
Los primeros pasos en el análisis del movimiento de los cuerpos apuntan a Aristóteles, él creía que la naturaleza de todo cuerpo era la de estar en reposo y que los mismos se ponían en movimiento cuando se les aplicaba una fuerza.
Galileo Galilei probó que cuerpos de diferente pesos caían a la misma velocidad, revocando las ideas de Aristóteles; esto lo hizo basándose en un experimento, el cual consistía en hacer rodar bolas con pesos diferentes por una rampa de cierta inclinación; vio entonces que las bolas a medida que caían por la pendiente aumentaban su velocidad al mismo ritmo independientemente de su peso.
Esta teoría fue probada en la Luna, en donde no hay atmósfera que produzca fricción en los cuerpos que modifiquen su caída, en la cual se dejó caer una plomada y una pluma; ambos cuerpos tocaron el suelo al mismo tiempo.
Los experimentos realizados por Galileo sirvieron de base para que Newton formulara las leyes del movimiento:
La primera ley de Newton o ley de la inercia
"Todo cuerpo preservará en sus estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado"
La segunda ley de Newton o ley de la interacción y la fuerza
"El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime"
La tercera ley de Newton o ley de acción-reacción
"Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria; las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentidos opuestos"
Esto significa que a un cuerpo en caída lo que se le esta aplicando es una fuerza (su peso) la cual el efecto que produce es cambiarle su velocidad y no ponerlo en movimiento. Si sobre un cuerpo no actuara fuerza alguna este se mantendría en movimiento constante y rectilíneo.
Para dejar en claro; el efecto de una fuerza solo es cambiar la velocidad del cuerpo y dicho cambio será proporcional a la fuerza aplicada.
Newton en 1687 también aporto uno de los principales descubrimientos de la humanidad:
"La ley de la gravitación universal".
La Ley de la Gravitación Universal establece que la fuerza que ejerce una partícula puntual con masa m1 sobre otra con masa m2 es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Esto significa que todo cuerpo atrae a otro con una fuerza proporcional a la masa de cada uno de ellos y que cuanto mas separados el uno del otro menor será esa fuerza.
Otra de las conclusiones que se desprenden de las leyes de Newton es la de que no existe un único estándar de reposo. Se puede decir que un cuerpo A esta en reposo y uno B en movimiento como también que el B es el que esta en reposo y es el A el que se mueve.
Este excelente ejemplo lo describe más fácilmente: Olvidémonos del movimiento de la Tierra alrededor del Sol y supongamos que un tren viaja con dirección Norte a 100km/h; podemos decir que es el tren que se mueve hacia el N a 100km/h, o que el tren esta en reposo y que es la Tierra quien se mueve a 100km/h hacia el S.
La falta de un estándar absoluto de reposo significaba que no se podía determinar si dos acontecimientos que ocurrieran en tiempos diferentes habían tenido lugar en la misma posición espacial. Para comprender esto tomemos un ejemplo para clarificar este asunto:
Imaginémonos que sobre un tren que viaja a 100km/h. una persona está haciendo picar en el piso una pelota una vez por segundo en el mismo lugar, para un observador ubicado en el andén cada uno de los piques estarían separados unos 28 metros, ya que el tren habría recorrido esa distancia entre los dos piques.
La no existencia de un reposo absoluto significa que no se puede asociar una posición absoluta en el espacio con un suceso. Las posiciones de los sucesos y la distancia entre ellos serán diferentes para una persona en el tren y para otra que este en el andén; y no existe razón para preferir el punto de vista de una de las personas frente a la otra.
b. Velocidad de la luz
Tanto Aristóteles como Newton creían en un tiempo absoluto, esto significa que cualquier persona mediría exactamente el mismo intervalo de tiempo entre dos sucesos sin la menor duda. El tiempo era un concepto absoluto y separado del espacio, nuestro sentido común nos dice exactamente los mismo cuando lo aplicamos a eventos cotidianos; el asunto radica que cuando tomamos mediciones de tiempo en sucesos en los cuales sus velocidades son cercanas o similares a la de la luz las cosas no parecen ser tan así...
En el año 1865 el físico británico James Clerk Maxwell presentó la teoría de la propagación de la luz basada en los aportes realizados por el danés Roemer; en ella Maxwell predecía que las fluctuaciones del campo electromagnético deberían viajar a velocidades fijas y constantes. Dichas mediciones deberían especificar con respecto a que estas ondas se movían, ya que el concepto de espacio absoluto ya no correspondía, este sistema de referencia fue llamado éter. En el las ondas luminosas se movían como lo hacen las olas en un estanque o las de radio en el aire. Diferentes observadores que se movieran a través del éter deberían obtener medidas diferentes al calcular la velocidad de la luz (300000km/seg), pero la velocidad de esta sería siempre la misma en relación al éter.
El inconveniente surgió en el año 1887 cuando Albert Michelson y Edward Mrley llevaron a cabo un experimento; en él compararon la velocidad de la luz en la dirección del movimiento de la Tierra, con la velocidad de la luz en la dirección perpendicular a dicho movimiento. Para su sorpresa encontraron que ambas velocidades eran iguales y no como lo predicho por las teorías vigentes.
Ernest Mach fue uno de los primeros físicos en considerar que el resultado del experimento era correcto y sugirió una nueva teoría. Las investigaciones iniciadas a raíz del experimento llevaron a una teoría alternativa consistente, la contracción de Lorentz, que explicaba el resultado nulo obtenido. El desarrollo de esta teoría desembocó en la relatividad especial de Einstein.
c. Relatividad Especial
En 1905 luego de varios intentos fallidos por explicar los resultados del experimento de Michelson-Morley un empleado de un local de patentes suizo señaló que la existencia del éter era innecesaria, siempre y cuando se aceptara la idea de que el tiempo deje de ser considerado un concepto "absoluto". A esta teoría se la llamó "Teoría de la relatividad Especial".
Su razonamiento se basó en dos axiomas simples: En el primero reformuló el principio de simultaneidad por el que las leyes de la física deben ser invariantes para todos los observadores que se mueven a velocidades constantes entre ellos, y el segundo, que la velocidad de la luz es constante para cualquier observador.
Otro artículo muy famoso de su teoría es el que se titulaba Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig y mostraba una deducción de la ecuación de la relatividad que relaciona masa y energía.
Esta ecuación implica que la energía E de un cuerpo en reposo es igual a su masa m multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.
Esta teoría nos indica que ningún cuerpo con masa puede viajar a la velocidad de la luz debido a la igualdad de masa y energía; la energía que un objeto adquiere debido a su movimiento se añadirá a su masa incrementándola. Por lo tanto a mayor velocidad, mayor masa y por resultado se necesitará mas energía para poder acelerar a mayor velocidad este objeto.
Solo objetos que no posean masa intrínseca pueden moverse a la velocidad de la luz.
d. Un objeto llamado espacio-tiempo
De la maravillosa teoría de la relatividad especial se desprende un nuevo concepto: El espacio-tiempo; ya no se conciben como cosas separadas sino una fusión de ambos, o sea no se pueden considerar por separado.
Antes de los conceptos establecidos por la relatividad especial, el razonamiento nos hubiese llevado a que si un pulso de luz era enviado de un lugar a otro, observadores diferentes estarían de acuerdo en el tiempo que duró el viaje (ya que el tiempo era un concepto absoluto), pero no siempre estarían de acuerdo con la distancia recorrida por la luz (el espacio no es un concepto absoluto). Dado que la velocidad de la luz es simplemente la distancia recorrida dividida por el tiempo empleado, observadores diferentes medirían velocidades de la luz diferentes.
En relatividad, por el contrario todos los observadores deben medir la misma velocidad de la luz, ellos entonces discreparan con la distancia recorrida, con lo cual tampoco estarán de acuerdo con el tiempo empleado (El tiempo es igual al espacio recorrido, en el que los observadores no están de acuerdo, dividido por la velocidad de la luz, sobre la que los observadores si están de acuerdo).
"En otras palabras, la teoría de la relatividad especial acabó con la idea de un tiempo absoluto; cada observador debe tener su propia medida de tiempo, que es la que registraría un reloj que se mueve junto a él, y relojes idénticos moviéndose con observadores diferentes NO tendrían porque coincidir".
Conos de luz
Cuando uno tira un piedra en un estanque con agua lo que ve es que cuando la piedra golpea el agua se van formando olas que van aumentando se tamaño a medida que pasa el tiempo, las mismas generarán un cono cuyo vértice es el lugar y el momento en el que la piedra golpeó el agua.
Ahora representemos este ejemplo tomando un pulso de luz en el espacio-tiempo; una vez emitido el pulso el mismo se ira extendiendo a medida que pase el tiempo. Después de una millonésima de segundo la luz se habrá esparcido formando una esfera con un radio de 300 metros, después de dos millonésimas de segundo la esfera será de 600 metros y así sucesivamente. Así la luz al expandirse desde un suceso dado forma un cono tridimensional en el espacio-tiempo.
Entonces tomando como evento (p) un haz luminoso (o pulso de luz) en un tiempo 0, todos los acontecimientos que dicho pulso es capaz de alcanzar desde el punto (p) a media que se expande la luz forman el cono de luz futuro de (p), mientras que aquellos eventos capaces de enviar un pulso de luz hasta (p) forman el cono de luz pasado de (p). El vértice de dicho cono, a efectos de representación, es de 45 grados.
Dado un evento cualquiera (E), el cono de luz clasifica todos los eventos espacio-temporales en cinco categorías distintas:
1- ) Eventos en el cono de luz futuro de (E), a los que puede alcanzar la luz desde (E).
2- ) Eventos en el cono de luz pasado de (E), desde los cuales la luz pudo haber llegado a (E).
3- ) Eventos dentro del cono de luz futuro de (E) que están afectados por una partícula material emitida “desde” (E).
4- ) Eventos dentro del cono de luz pasado de (E) que pueden haber emitido una partícula material y afectar a lo que ocurre en (E).
5- ) Todos los demás eventos que están en cualquier otro sitio, más allá de los conos de (E) y nunca afectarán ni podrán ser afectados por lo que suceda en (E).
Si el espacio se mide en segundos-luz y el tiempo en segundos, el cono, como puede verse, tendrá una abertura de 45°, ya que, en el vacío, la luz viaja a una velocidad de un segundo-luz por segundo, expandiéndose concéntricamente de esa forma. Dado que la relatividad espacial requiere que la velocidad de la luz sea igual en todo marco de referencia en reposo, todos los observadores deben observar el mismo ángulo de 45 grados a causa de sus propios conos de luz.
Cualquier otro sitio, que es una parte integrante de los conos de luz, es la región del espacio-tiempo que queda fuera de los conos de luz de un evento dado (un punto en el espacio-tiempo). Los eventos que están en cualquier otra parte, alejados unos de otros, son mutuamente inobservables, y no pueden ser conectados causalmente.
El cono de luz futuro englobaría todos los "efectos" posibles de un evento dado, mientras que el cono de luz pasado englobaría todas las "causas" posibles de dicho evento.
Dicho de otro modo, todo aquello que percibimos en cada instante se halla contenido en nuestro particular cono de luz pasado, mientras que todo aquello sobre lo que podríamos influir se encuentra contenido en nuestro cono de luz futuro.
e. Relatividad General
La teoría de la relatividad especial era inconsistente con la teoría de la gravedad de Newton. Uno de los pilares fundamentales de la gravedad newtoniana supone que las alteraciones producidas en el campo gravitatorio se transmiten instantáneamente a través del espacio. La contradicción entre ambas teorías es evidente, puesto que asumir las tesis de Newton llevaría implícita la posibilidad de que un observador fuera afectado por las perturbaciones gravitatorias producidas fuera de su cono de luz. Dicho de otra manera la teoría de la gravedad de Newton afirmaba que si uno movía uno de los objetos, la fuerza sobre el otro cambiará instantáneamente, con lo cual los efectos gravitatorios deberían viajar a velocidades infinitas, en lugar de a una velocidad igual o menor que la de la luz como decía la teoría de Einstein.
En 1915, finalmente y nuevamente Albert Einstein propuso lo que hoy conocemos como la teoría de la Relatividad General.
En ella Einstein hizo la sugerencia revolucionaria de que la gravedad NO ES UNA FUERZA como las otras, sino que es una consecuencia de que el espacio-tiempo no sea plano, sino que este curvado por la presencia de masa y energía en él presentes.
El planeta Tierra no está forzado a moverse en órbitas elípticas alrededor del Sol por una fuerza llamada gravedad; en vez de esto sigue la trayectoria mas parecida a una línea recta (geodésica) en un espacio curvo.
En relatividad general los cuerpos siguen siempre líneas rectas en un espacio-tiempo cuadrimensional; sin embargo nos parece que los mismos se mueven a lo largo de trayectorias curvadas en nuestro espacio tridimensional.
Es el caso de la sombra de un avión sobre un suelo montañoso: Aunque vuela en el cielo (espacio tridimensional) su sombra sigue un camino curvo en la superficie (espacio bidimensional).
La teoría de la relatividad general predice que la luz también se verá afectada por las curvaturas del espacio-tiempo producidas por la gravedad; con lo cual la luz proveniente de una estrella que pase cerca del Sol será desviada y veremos a la estrella en una posición del espacio en la que en realidad no se encuentra !!!.
Otra asombrosa predicción de la teoría nos afirma que el tiempo debería transcurrir mas lentamente cerca de cuerpos de gran masa.
Esto se debe a la relación entre la energía de la luz y su frecuencia, cuanto mayor es la energía entonces mayor será su frecuencia. Cuando la luz viaja hacia arriba en el campo gravitatorio terrestre, por ejemplo, pierde energía y por lo tanto su frecuencia disminuye (El período de tiempo entre onda y onda aumenta), a un observador ubicado sobre la superficie terrestre le parecería que todo lo que ocurre ahí abajo transcurriera más lentamente. Esta predicción fue comprobada en 1962 utilizando dos relojes muy precisos ubicados en la parte inferior y superior de una torre; se observo entonces que en el reloj ubicado en la parte inferior el tiempo transcurría mas lentamente que el ubicado en la parte superior !!!.
La consideración de que el tiempo no es una variable absoluta es reflejada claramente en la famosa paradoja de los gemelos: En ella tenemos a dos gemelos, uno se queda en la Tierra y el otro emprende un viaje de varios años en una nave que se mueve a velocidades cercanas a la de la luz, en su regreso a la Tierra nuestro viajero se encontraría con su hermano... con la salvedad que sería mucho mas viejo que él !!!.
En relatividad general no existe un tiempo absoluto único, sino que cada individuo posee su propia medida personal del tiempo, medida que va a depender de donde él está y como se mueve.
Fuente consultada: Historia del tiempo ilustrada de Stephen Hawking, Wikipedia.
Mail: grupo_gabie@yahoo.com.ar
Web: www.grupogabie.blogspot.com
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