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La velocidad de la luz, paradojas, relatividad…

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Paradojas de la relatividad    ~    Comentarios Comments (12)

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Se han cumplido ya algunos cientos de años desde que se determinó la Velocidad de la Luz que, en el vacío es de 299.792,458 Km/s. Una velocidad que nos marca el límite al que se puede mover cualquier cuerpo y transmitir información. Si la materia se acerca a la velocidad de c, se producen fenómenos curiosos.

 

 

Siempre hemos estado a vueltas con poder realizar viajes en una nave como la de Star Trek en la que podríamos alcanzar velocidades cercanas a la de la luz y llegar a planetas y estrellas lejanas en un tiempo aceptable. Una nave de dies mil toneladas y accionada por un motor de antimateria que pudiera acelerarse hasta alcanzar las 2/5 partes de la velocidad de la luz, utilizando únicamente cinco mil toneladas de combustible. Se trataria de una mejora impresionante sobre los cien mil millones de toneladas de combustible necesarias para conseguir esa misma velocidad con un cohete de propulsión nuclear.

Podría incluso llegar a acelerarse hasta una velocidad aun superior -el 99 por ciento de la velocidad de la luz- con ciento cuarenta mil toneladas de combustible. A una velocidad de este tipo, la nave podría realizar el viaje a Alfa Centauri en menos de diez años. Claro que, aunque lo hemos pensado y en el hipotético caso de que algún día se pudiera hacer un viaje de ese tipo, tendríamos que pensar en las posibles consecuencias que tendría conforme a lo que nos dice la relatividad especial de Einstein, una y mil veces comprobada: ¡Nada, en nuestro Universo, podrá nunca alcanzar la velocidad de la luz!

Podrían ocurrir fenómenos que ni podemos imaginar pero, quedándonos en lo que más llama la atención al público en general, podríamos conseguir que el tiempo transcurriera más lentamente para los viajeros espaciales que, moviéndose a una velocidad cercana a la de la luz, lograrían ralentizar el Tiempo y, desde luego, envejecerían más lentamente que los que quedaron aquí en la Tierra. Tanto es así que, alguno de los astronáutas al regresar a sus casas, se encontrarían con que sus hijos, serían más viejos que ellos.

Viajando a esas velocidades ocurrirían cosas que no pasan cuando viajamos a la manera convencional en nuestros coches, en el tren o en Avión que, sólo alcanzar velocidades pequeñas que en nada influye en el transcurrir del Tiempo. También nos dice la relatividad que si un objeto viaja a una velcoidad cercana a c, a medida que se acerca al límite impuesto por la Naturaleza, la energía de impulso se transforma en masa conforme a E = mc2, dado que en este universo, nada puede ir más rápido que la luz. De hecho, tal fenómeno ha sido comprobado muchas veces en los aceleradores de partículas que, al lanzar un hace de muones a velocidades cercanas a c, éstos han incrementado más de diez veces su masa. ¿Os imagináis como verían la nave y a los viajeros unos observadores que pudieran contemplar tal suceso?

¡La masa de un cuerpo aumenta con la velocidad! Asimismo podemos arriesgarnos a decir que lo haga que aparece de manera repetida en la relatividad especial:

Resultado de imagen de La masa de un cuerpo aumenta con la velocidad

Por lo demás, masa y energía varían en paralelo. Esto en términos cualitativos. Cuantitativamente no es difícil obtener, a partir de la relación anterior, la que dicen que es la ecuación más famosa de la física:

Resultado de imagen de La contracción de Lorentz

Resultado de imagen de la contracción de FitzGerald-Lorentz

Pero los fenómenos que se pueden producir viajando a la velocidad de la luz o cerca de ella, no han  terminado todavía y, tendríamos que pensar en eso que llaman la contracción de FitzGerald-Lorentz.  FitzGerald fue uno de los físicos que apoyaron la teoría electromagnética de Maxwell, quienes la revisaron, ampliaron, clarificaron y confirmaron  entre los 1870s y 1880s. Sin embargo,  es más conocido por  la conjetura que enunció en 1889 y que sostiene que todo cuerpo se contrae  en la dirección de su movimiento. Su idea se basa en parte, en la manera en que las fuerzas eletromagnéticas son afectadas por el movimiento. El físico holandés Hendrik Lorentz desarrolló una idea similar en 1892 y la conectó  con su teoría de los electrones.

Cualquier nave, el Enterprise también, se vería afectado por este fenómeno físico si viaja a velocidad cercana a c, vería incrementada su masa, ya que, al acercarse al límite impuesto por el Universo (299792458 m/s), la energía inercial se iría frenando para convertirse en masa.

La  Contracción de FitzGerald-Lorentz se convirtió más tarde  en una parte importante de la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein que se publicó en 1905. Se han realizado muchas pruebas y experimentos que han venido a confirmar tal teoría, los objetos se contraen cuando viajan a velocidades relativistas y lo hacen en el sentido de la marcha, es decir, en una nave espacial, sufriría la contracción la parte delantera que va cortando el espacio.

La contracción de Lorentz es un efecto relativista que consiste en la contracción del tamaño de un cuerpo a medida que su velocidad se acerca a la velocidad de la luz. Originalmente fue un concepto introducido por Lorentz como una forma de explicar la ausencia de resultados positivos en el experimento de Michelson y Morley. Posteriormente fue aplicado por Albert Einstein  en el contexto de la relatividad especial.

La contracción de Lorentz viene descrita por la siguiente expresión matemática de abajo a la izquierda.

<br />
L_1= \frac{L_0}{\gamma} = L_0 \sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2},<br />

El Esquema sobre la contracción de Lorentz. (X′,cT′) representan las coordenadas de un observador en reposo a una barra, mientras que (X,cT) son las coordenadas de otro observador con respecto a dicha barra, por la naturaleza pseudoeuclidea del espacio-tiempo aun cuando el primer observador mide una longitud l, el segundo mide una longitud menor l/γ < l.

Resultado de imagen de Futuristic Space Travel © by Jaideep Khemani

Claro que todo eso no son más que sueños y, aún en el caso hipotético de que pusiéramos construir esos motores de antimateria -que dicho sea de paso no es nada fácil de conseguir en los aceleradores de partículas y, construir un motor de antimateria tan habitual y cotidiano en la literaturta y películas, no seia nada sencillo y las dificultades técnicas serían (son) muy muy difíciles de vencer. Por otra parte, en este momento sólo podemos fabricar ínfimas cantidades de antomateria en el laboratorio, del orden de una billonésima de gramo; ¿y cómo podremos alguna vez llegar a fabricar miles de toneladas y en que clase de recipiente la podríamos guardar? Cualquier contener fabricado de materia… daría al traste con todo cuando ambas clases de materia se juntaran.

Pero no acaban ahí las dificultades de ese hipotético viaje en una maravillosa nava que puede alcanzar, con su flamante motor de antimateria, la velocidad que se acerca a la de la Luz.

El espacio es activo y dinámico y por el, proveniente de estrellas nuevas, supernovas, colisiones de estrellas de neutrones y agujeros negros, quásares y otros objetos posibles fuentes de grandes emisiones de radiación cósmica que viajan por todas partes a velocidades relativistas y, si por si fuera poco, también, en el vacío aunque en menor medida, están presentes átomos que serían un peligro.

Aunque el artículo databa del año 2010, cayó en mis manos hace poco y, contaba como un estudio realizado por un equicpo de científicos habían llegado a la conclusión de que: “El resultado de la investigación no trae buenas noticias para todos los que soñábamos con recorrer la galaxia a velocidades relativísticas. Según parece, al desplazarnos a velocidades cercanas a la de la luz, los escasos átomos de hidrógeno que existen en el espacio «vacío» nos golpearían tan duro como las partículas aceleradas por el Gran Colisionador de Hadrones  (LHC). Si los científicos de la Universidad Johns Hopking están en lo cierto, esos pequeños átomos nos freirían en pocos segundos. “

Imagen relacionada

   Se han pensado en otras rutas no convencionales para viajar más rápido que la luz pero… ¡las tenemos que encontrar! ¿Hiperespacio? ¿Agujeros de gusano?

En efecto, si la USS Enterprise fuese de verdad, y respetase las leyes físicas que rigen el Universo, Kirk, Spock y el resto de la tripulación morirían a los pocos segundos de pisar el acelerador. La culpa sería de esos dos átomos de hidrógeno por centímetro cúbico y de la Teoría de la Relatividad de Einstein. Esa débil cantidad de materia se convertiría en un haz de radiación lo suficientemente intenso como para matar a los humanos abordo en pocos segundos, e incluso bastaría para destruir los instrumentos electrónicos de la nave, y a la nave misma.

En efecto, si la USS Enterprise fuese de verdad, y respetase las leyes físicas que rigen el Universo, Kirk, Spock y el resto de la tripulación morirían a los pocos segundos de pisar el acelerador. La culpa sería de esos dos átomos de hidrógeno por centímetro cúbico y de la Teoría de la Relatividad de Einstein. Esa débil cantidad de materia se convertiría en un haz de radiación lo suficientemente intenso como para matar a los humanos abordo en pocos segundos, e incluso bastaría para destruir los instrumentos electrónicos de la nave, y a la nave misma. La Teoría de la Relatividad Especial describe cómo el espacio y el tiempo se encuentran distorsionados para observadores que viajan a diferentes velocidades. Para la tripulación de una nave espacial que acelera hasta cerca de la velocidad de la luz, el espacio interestelar parece muy comprimido, lo que aumenta el número de átomos de hidrógeno que golpean la nave cada segundo, convirtiéndolos en un verdadero rayo de la muerte apuntado hacia la proa.

Si seguimos estudiando sobre la posibilidad de viaajr por el Espacio Interestelar a velocidades cercanas a c (la velocidad de la luz en el vacío), nos encontramos con muchos problemas que no sabemos solucionar y, lo cierto es que vemos como tal posibilidad se aleja de nosotros que, no sabemos “vencer” una constante de la Naturaleza que nos dice que, ir más rápido que la luz es… ¡Imposible!

Sin embargo, eso para nosotros -¡menudos somos!-, no será ninguna cortapisa y buscaremos otros caminos que nos lleven, aún más rápido que la velocidad de la luz, hacia otros mundos, otras estrellas, otras galaxias y, si me apuráis mucho, también hacia otros universos.

En 1994 el físico mexicano Miguel Alcubierre demostró que ese viaje era teóricamente posible. Su esquema consistía en una nave con forma de balón de rugby con un gran anillo plano rodeándolo que sería el encargado de curvar el espacio-tiempo alrededor de la nave, creando una región de espacio contraído delante y una de espacio expandido detrás, informa Discovery News. El problema es que paraalcanzar esas velocidad haría falta una cantidad de energía equivalente al de convertir a energía un planeta del tamaño de Júpiter, lo que lo hacía inviable.

“Todo lo que existe en el espacio está restringido por la velocidad de la luz”, ha explicado Richard Obousy, presidente de Icarus Interstellar, una organización de científicos e ingenieros sin ánimo de lucro dedicada a investigar el viaje interestelar. “Pero lo bueno es que el espacio-tiempo, la estructura del espacio, no está limitada por la velocidad de la luz”.

http://espaciociencia.com/wp-content/uploads/2011/10/china-superpoblacion.jpg

                                                              ¿Cuantos más podrá soportar la Tierra?

Le prestamos poca atención al problema pero, los siglos pasan, los haitantes del planeta crecen, la Tierra es como es y no puede crecer. Estamos aquí confinados y el espacio cada vez resulta más reducido paratanta gente que, necesita y exige cuidados, alimentos, medicinas, y, energía. Cuando pasen 500 años más, ¿cuántos miles de millones seremos?

Se imponen soluciones drásticas antes de que lleguen momentos insoportables en los que, nos ataquemos los unos a los otros por un pedazo de pan. Hay que salir fuera, tenemos que colonizar otros mundos y lunas de nuestro Sistema solar primero y de otros más lejano más tarde y, para eso, amigos míos…,  ¡necesitamos saber! Cómo poder hacer eso.

emilio silvera

 

  1. 1
    Pedro
    el 21 de mayo del 2018 a las 17:45

    Haber si me aclaro ok.
    Resulta que los cosmonautas en función de su velocidad con respecto a la tierra, su medida de la misma es inferior, en función de la velocidad de la nave. Y lo mismo ocurre con un observador desde la tierra vería que tal nave es inferior.
    Mi pregunta es: cientos de observadores están en la tierra y en la tierra no  cambia nada de nada sigue como  siempre al margen de observadores en el exterior. ¿Que es lo que miden entonces tales conmonautas?.

    Responder
    • 1.1
      Emilio Silvera
      el 22 de mayo del 2018 a las 5:10

      Los viajeros de la nave sólo pueden medir su propio tiempo, y, desde luego, no creo que se puedan dar cuenta de que “su tiempo” sea distinto, para ellos, todo será normal y no se pueden percatar de que ese tiempo se ha ralentizado. Bueno eso es, al menos, lo que yo creo. En la paradoja de los gemelos, el hermano viajero, cuando vió, a su llegada a la Tierra, a su hermano mucho más viejo que él, se llevó una gran sorpresa.

      Responder
      • 1.1.1
        Pedro
        el 22 de mayo del 2018 a las 7:03

         
        Resulta que no me explicado bien, ok. No me refiero a la dilatación  del tiempo. Haber estoy refiriendo: a la contracción de lorent . Acerca de la disminución del tamaño de un determinado objeto. Acerca del dibujo expuesto en función de las distintas velocidades y las distintas longitudes como consecuencia de las mismas.
        Unos navegantes A en una nave a 200.000 km/s, como verían un objeto B (nave)80km/s. (En el objeto B dentro unos observadores con aparatos de medida en su interior calculando la longitud interna de su objeto (nave). 
        Los navegantes A distinguiría una longitud del objeto B , llamemolos x. Ok
        Sin embargo los cosmonautas de B en su nave no distinguen ningún cambio interno. Siempre la misma distancia de un extremo a otro.
        Conclusión: cambia la perspectiva de nuestra observación y no las propiedades inherentes del segundo objeto, a esto es a lo que me refería.ok

        Responder
  2. 2
    Pedro
    el 21 de mayo del 2018 a las 18:02

    Esto nos indica nada mas que la velocidad, afecta a nuestra percepcion distorsionando todo. Muy distinto de a las propiedades inherentes de las mismas.

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  3. 3
    nelson
    el 22 de mayo del 2018 a las 15:58

    Hola muchachada.
    La distorsión del tiempo, del espacio,de la masa y de las medidas) se hace perceptible a velocidades relativistas. No quiere decir que no ocurra a velocidades corrientes; es que en ese caso, es insignificante, in perceptible a efectos prácticos. En el caso de los gemelos de la paradoja, nada ha variado en la Tierra, pero el viajero llega efectivamente más joven (años; medidos en la Tierra) pues su tiempo ha sido notoriamente menor que el tiempo de la Tierra. En el caso de la MIR y de Suiza,  la distorsión de las medidas es real pero imperceptible a nuestros sentidos, a pesar de que la velocidad de la nave es de casi 8 km por segundo, alucinante para lo que estamos acostumbrados en tierra, pero incomparable con c.
    Es a velocidad relativista que la energía utilizada en acelerar un objeto se convierte más en masa que en incremento de la velocidad. Es a velocidad relativista que el tiempo se contrae (Factor de Lorentz). Para un fotón liberado en el Sol, el tiempo no transcurre, llega a la Tierra instantáneamente; para nosotros, demora 8 minutos.
    Saludos cordiales.

    Responder
    • 3.1
      nelson
      el 22 de mayo del 2018 a las 16:01

      Disculpas:  imperceptible.

      Responder
  4. 4
    Pedro
    el 22 de mayo del 2018 a las 17:18

    Hola Nelson: Por un momento imaginemos que todo es correcto. Ok. Imaginemos que esas constracciones son verdaderamente reales, solo acontecen a velocidades relativistas.(Ahora en lo que sigue no me refiero al cambio de masa, o dilatación del tiempo ,sino solo a la disminución de medida de tales objetos, en tierra con velocidad corriente, siendo observada por una nave con velocidad relativista. )

       Ahora imaginemos que multiplicamos por un factor de 200 la velocidad de la nave obligando a que se manifiesten más obsvias tales distorsiones en la tierra (disminución de medidas de los objetos). Pregunta ¿Cómo afectaría esas constracciones a los seres vivos de la tierra? Yo diría que todos hubiéramos perecido hace muchísimo tiempo. ¿Es eso realmente posible? ¿Cómo explicar que nosotros estemos aquí presentes?
    En definitiva el observador externo con velocidad relativista solo distingue distorsiones en su percección de las cosas. 
    No me parece una conclusión muy descabellada. 
    Un saludo
     
        

    Responder
  5. 5
    Pedro
    el 22 de mayo del 2018 a las 17:50

    Todo se resolvería distinguiendo observador por un lado y todo lo demas por otro lado con  respecto a cómo interacciona todo contra todo.

    Responder
    • 5.1
      Pedro
      el 22 de mayo del 2018 a las 18:10

      Me acaso de acordar aerca del fotón del sol, antes de salir hacia la tierra, todo un infierno para salir del núcleo.Osea que el tiempo si le afecta , ya que resulta que el sol es muy extenso.

      Responder
  6. 6
    nelson
    el 23 de mayo del 2018 a las 1:26

    Hola muchachada.
    Hola Pedro
    Es una buena pregunta y te contesto lo que yo entiendo por partes, a la espera de la palabra de los más entendidos.
    La distorsión espacio-temporal sólo la sufre el objeto (llamémosle A) que ha sido acelerado a velocidades próximas a c. Un potencial observador desde un sistema estacionario B percibiría las modificaciones en A, pero no se vería afectado, aunque un observador ubicado en A debería ver similares modificaciones en un objeto de B. 
    Digo debería porque en cuestiones relativistas creo que no se puede desligar el espacio del tiempo como tú pides. El espacio-tiempo es una sola cosa. Dos sucesos que ocurren simultáneamente en un mismo sistema referencial no serán simultáneos observados desde otro sistema (como en el tren de Einstein). Por lo que me parece difícil que coincidan el observador de A y el observador de B observándose mutuamente desde dos sistemas referenciales distintos. Cuando uno observa al otro, para el otro no coincidirán en el tiempo por lo que no lo vería. (No he tomado nada…)
    Con respecto al fotón del Sol, creo que no se trata de mismo fotón. Cada fotón es absorbido por un átomo que a su vez emite otro, como una reacción en cadena. Los que recibimos en la Tierra partieron de la fotósfera y atravesaron las capas exteriores (transparentes) del Sol. Un fotón siempre viaja a  c en el vacío. En medios translúcidos más densos puede ralentizarse hasta alrededor de 2/3 de c según el medio. Al salir de ese medio, recupera instantáneamente c. Si se interrumpe (ej. un cuerpo opaco para un fotón del espectro visible) desaparece definitivamente.
    Saludos cordiales. 

    Responder
  7. 7
    Fandila Soria
    el 23 de mayo del 2018 a las 11:34

    A velocidades relativistas, o no tanto, una masa se aplasta por el efecto efecto frenado del vacío. Esto le supone un acortamiento real en la dirección de desplazamiento

    Responder
    • 7.1
      Emilio Silvera
      el 24 de mayo del 2018 a las 5:52

      Si se analiza bien el fenómeno, veremos que es una consecuencia directa de la situación. Dices bien, amigo Fandila, es el efecto frenado del objeto con el vacío el que lo produce.

      Responder

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