Introducción histórica: paradigma del momento y la física clásica

Alumnas:

• Artana, Clara
• Krolewiecki, Natalia
• Piñero, Marina
• Resnicoff, Camila
• Tagliaferro, Lucía

Profesora: Belén Andrada

Fecha de entrega: 11/7/2014

Curso: 5°2a

Introducción histórica: paradigma del momento y la física clásica

Hasta el momento, uno de los físicos más influyentes de la física clásica había sido Isaac Newton, que formuló una serie de leyes acerca del movimiento y la gravedad. Newton, consideraba la existencia de un tiempo y un espacio absoluto. En cuanto al tiempo, afirma que el absoluto es verdadero y matemático, en sí mismo y por su propia naturaleza, y fluye de una manera ecuable y sin relación alguna con nada externo. En cambio, el tiempo relativo, aparente y común es una medida sensible y externa del tiempo absoluto por medio del movimiento.

La principal disidencia con Einstein consiste en la existencia del espacio absoluto que sostiene Newton, el cual Einstein no cree existente. Este difiere del relativo, que es el que nuestros sentidos determinan de acuerdo con su posición respecto a los cuerpos y que por lo común se toma como espacio inmovible, en que por su propia naturaleza y sin relación alguna con nada externo permanece siempre similar e inmovible. Para demostrar la existencia del espacio absoluto, Newton realizó un experimento consistente en colgar un cubo lleno de agua a una barra fija atándolo con una cuerda. Pudo observar que cuando hacía girar  el cubo, la superficie del agua se mantenía plana por un momento, es decir, giraba con el cubo, pero no con respecto al cubo (no tiene movimiento independiente). Luego de unos instantes, el agua comienza a girar y su superficie adopta una posición cóncava. Cuando el cubo se detiene, el agua continúa en la posición anterior por un tiempo hasta que vuelve a poseer una superficie plana.

Newton establece que cualquier movimiento relativo puede ser alterado al paso que el movimiento verdadero permanece invariable, conservándose lo relativo mientras lo verdadero experimenta un cambio. Esto puede verse en el experimento mencionado, en el que se observa el movimiento circular verdadero y absoluto del agua, que es directamente contrario al relativo y demuestra su propensión a alejarse del eje del movimiento. Al principio, cuando el movimiento relativo del agua dentro del cubo era máximo, la superficie de la misma se mantenía plana, por consiguiente, el movimiento circular verdadero aún no había comenzado. Pero luego, a medida que el movimiento relativo del agua va decreciendo, la misma va ascendiendo por los bordes del cubo, mostrando su propensión a alejarse del eje.

A diferencia de Newton, Einstein negó el movimiento y reposo absoluto, afirmando que todo es relativo. Además, unificó tiempo y espacio, haciendo de este algo dependiente y móvil.  Las leyes de Newton se comprueban como correctas en un contexto de una velocidad menor a la velocidad de la luz, concepto introducido por Einstein que va a revolucionar la física clásica y cuya teoría se explicará a continuación.

Cómo surgió la teoría de la relatividad

La teoría de la relatividad tiene su origen en un sueño que tuvo Albert Einstein en su adolescencia. El sueño que tuvo consistió básicamente en lo siguiente: Einstein se levanta una mañana y alcanza a ver unas vacas pastando detrás de un cerco eléctrico que no está en funcionamiento (él mismo sabe que no está electrificado porque al tocarlo no siente ningún tipo de descarga). Al cabo de un tiempo, un señor se acerca y reemplaza la batería que estaba por una nueva que hacía funcionar el cerco. He aquí donde empieza  la teoría. En el mismo instante en que el señor conectó la nueva batería, observó cómo, para él, las vacas dieron un salto para alejarse  todas exactamente al mismo tiempo. Cuando se acerca al granjero que conectó la batería le comenta lo que observó, pero este, en lugar de decir que todas saltaron exactamente al mismo tiempo, dijo que para él, habían saltado en forma de eco, a medida que avanzaba la corriente eléctrica por el cerco.

Este sueño, no era más que una exageración de lo que sucedía en el mundo real. La luz se propaga a una velocidad no infinita, de modo que ese sueño indicaba que de la propiedad física de la luz surge la idea de que el tiempo tiene que ser relativo, ya que hechos que ocurren simultáneamente para una persona, pueden no serlo para otras. Si la velocidad fuese infinita, este sueño no hubiese sido posible en la realidad.

Luego, Einstein tuvo otro sueño. En este caso las vacas comienzan a tener actitudes de locura. Estas comenzaban a moverse a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz activadas por la descarga eléctrica que sufrieron (en el sueño anterior). Al escuchar esto, el granjero decide salir con una linterna, y apenas las enfocaba estas comenzaban a alejarse de él a una velocidad gigantesca, próxima a la velocidad de la luz. Como consecuencia de estas actitudes, el granjero se hace dos preguntas. La primera era la de pensar si estaban en celo, pero la segunda y más importante para su teoría fue: “¿Existe la luz estacionaria?”. Para responder esta pregunta, el granjero le pide a una de sus vacas más inteligentes que le diga que es lo que ve cuando corre junto al rayo de luz. La misma, entonces, le dice que no ve nada extraño, que ese rayo se ve como todos los otros. Entonces, para ayudar al granjero, le dice que va a medir la velocidad. Pero los resultados de esta medición le son más extraños, ya que para ella, la luz sigue normal y moviéndose a una velocidad de 300.000 km/seg. Al ver que los resultados no son los esperados, el granjero les pide a otras dos vacas que midan la velocidad de la luz de su linterna. La vaca A, corría a una velocidad de 100.000 km/seg y la vaca B a 200.000km/seg. Según sus cálculos, la vaca A debería decir que la luz se mueve a 200.000km/seg y la vaca B a 100.000km/seg (restando la velocidad de la luz (300.000km/seg) con la velocidad a la que se mueven ellas). Pero sorprendentemente, las vacas dijeron que la luz se movía a 300.000km/seg. Esta respuesta, entonces, iba contra la lógica del granjero y contra sí misma.

Este extraño suceso fue explicado con el experimento de Michelson-Morley y establecía que la luz era constante, sin depender de la velocidad o el punto de vista del observador. En algún sentido, el experimento demostraba que “1 + 1 = 1”. Este resultado era ilógico y contradecía el dogma lógica que decía que las velocidad siempre se restan o se suman.

Entonces, Einstein formuló la teoría especial  de la relatividad, para resolver este problema.

Desarrollo explícito de la teoría

La teoría especial de la relatividad describe la manera como el  movimiento en el espacio a velocidad constante afecta el tiempo, así como la relación que existe entre la materia y la energía.

Antes de Einstein, se pensaba que el espacio era una extensión infinita en la cual existían todas las cosas. Nunca se había definido si el universo estaba en el espacio o si el espacio adentro del universo. La respuesta que dio Einstein, es que tanto el espacio como el tiempo existen sólo dentro del universo, y que los mismos constituyen un todo llamado espacio-tiempo. Este concepto es de suma importancia ya que los seres humanos viajamos a través de él. Vayamos a un ejemplo: si un individuo se queda parado, sólo se mueve en el tiempo; cuando se mueve un poco, una parte de su desplazamiento se lleva a cabo en el espacio, pero la mayor parte sigue ocurriendo en el tiempo. Ahora bien, si fuéramos capaces de viajar a la velocidad de la luz, todo nuestro desplazamiento se llevaría a cabo en el espacio.

Para comprender la relatividad, debemos recordar que el movimiento es relativo,  depende de la posición desde la cual se observa y se mide el movimiento. La rapidez^[1] también es relativa y puede ser distinta respecto a diferentes marcos de referencia. Aunque esta idea ya era bien conocida en la época, Einstein expandió el concepto de la relatividad a cosas que parecían inmutables. Hay una excepción a la relatividad de la rapidez: la luz, donde la velocidad no depende del punto de referencia, sino que siempre es 300 000 km/s, sin importar la rapidez de la fuente que la emite o la del receptor.  Einstein dedujo que la constancia de la rapidez de luz unifica el espacio y tiempo.

Postulados de la teoría de la relatividad

La teoría de la relatividad que formuló se basa en dos postulados fundamentales. El primer postulado de la relatividad especial establecía que todas las leyes de la naturaleza son las mismas en todos los marcos de referencia con movimiento uniforme. Esto era cierto para las leyes de Newton, pero Einstein extendía la idea para incluir la teoría de Maxwell. En otras palabras, como la teoría de Maxwell afirma que la velocidad de la luz tiene un valor dado, cualquier observador en movimiento libre debe medir el mismo valor, sea cual sea la velocidad con que se acerque o se aleje de la fuente.

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