La relatividad especial de Einstein

En 1905, Albert Einstein publicó la la teoría de la relatividad especial,

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que explica cómo interpretar el movimiento entre diferentes marcos de referencia inerciales - es decir, lugares que se están moviendo a velocidades constantes respecto a la otra.

Einstein explicó que cuando dos objetos se mueven a una velocidad constante como el movimiento relativo entre los dos objetos, en lugar de apelar al éter como un marco de referencia absoluto que define lo que estaba pasando. Si usted y algunos astronauta, ámbar, se está moviendo en diferentes naves espaciales y quiere comparar sus observaciones, lo único que importa es qué tan rápido y Amber se está moviendo con respecto a la otra.

La relatividad especial incluye sólo el caso especial (de ahí el nombre), donde el movimiento es uniforme. La moción se explica sólo si vas a viajar en línea recta a una velocidad constante. En cuanto a acelerar o curva - o hace algo que cambia la naturaleza de la moción de ninguna manera - la relatividad especial deja de aplicarse. Ahí es donde la teoría general de la relatividad de Einstein entra, ya que puede explicar el caso general de cualquier tipo de movimiento.

La teoría de Einstein se basa en dos principios fundamentales:

  • El principio de la relatividad: Las leyes de la física no cambian, incluso para objetos que se mueven en los marcos de referencia inerciales (velocidad constante).

  • El principio de la velocidad de la luz: La velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, independientemente de su movimiento con respecto a la fuente de luz. (Los físicos escribir esta velocidad utilizando el símbolo c.)


El genio de los descubrimientos de Einstein es que él miró a los experimentos y asumió las conclusiones eran ciertas. Esto fue exactamente lo contrario de lo que otros físicos parecían estar haciendo. En lugar de asumir la teoría era correcta y que los experimentos fracasaron, él asumió que los experimentos eran correctas y la teoría habían fracasado.

En la última parte del siglo 19, los físicos estaban buscando la cosa misteriosa llamada éter - el medio que creían existía para las ondas de luz de onda a través. La creencia en éter había causado un lío de cosas, a la vista de Einstein, mediante la introducción de un medio que causó ciertas leyes de la física para funcionar de forma diferente dependiendo de cómo el observador mueve con respecto al éter. Einstein acaba de quitar el éter por completo y asume que las leyes de la física, como la velocidad de la luz, trabajaron el mismo independientemente de cómo te mueves - exactamente como experimentos y matemáticas mostraron que sean!

Espacio y tiempo unificador

La teoría de la relatividad especial de Einstein creó un vínculo fundamental entre el espacio y el tiempo. El universo puede ser visto como que tiene tres dimensiones espaciales - arriba / abajo, izquierda / derecha, adelante / atrás - y una dimensión de tiempo. Este espacio 4-dimensional se conoce como la continuo espacio-tiempo.

Si se mueve lo suficientemente rápido por el espacio, las observaciones que se realicen sobre el espacio y el tiempo difieren un poco de las observaciones de otras personas, que se mueven a diferentes velocidades.

Usted puede imaginar esto por ti mismo por entender el experimento mental representado en esta figura. Imagina que estás en una nave espacial y la celebración de un láser por lo que dispara un haz de luz directamente hacia arriba, golpeando un espejo que has colocado en el techo. El haz de luz y luego vuelve a bajar y golpea a un detector.

(Arriba) Usted ve un rayo de luz sube, rebotan en el espejo, y viene directamente hacia abajo. (Abajo) Ámbar
(Arriba) Usted ve un rayo de luz sube, rebotan en el espejo, y viene directamente hacia abajo. (Abajo) Ámbar ve el recorrido del haz a lo largo de una trayectoria diagonal.

Sin embargo, la nave espacial está viajando a una velocidad constante de la mitad de la velocidad de la luz (0.5c, como los físicos escribirlo). Según Einstein, esto no hace ninguna diferencia para usted - ni siquiera se puede decir que se está moviendo. Sin embargo, si el astronauta Ámbar estaban espiando a usted, al igual que en la parte inferior de la figura, sería una historia diferente.


Ámbar vería su haz de luz viajan hacia arriba a lo largo de una trayectoria diagonal, golpear el espejo, y luego viajar a la baja a lo largo de una trayectoria diagonal antes de golpear el detector. En otras palabras, usted y Amber verías diferente caminos para la luz y, más importante aún, esos caminos no son ni siquiera la misma longitud. Esto significa que el tiempo de la viga tarda en ir desde el láser al espejo para el detector también debe ser diferente para usted y Amber para que ambos están de acuerdo en la velocidad de la luz.

Este fenómeno se conoce como la dilatación del tiempo, donde el tiempo en un barco en movimiento muy rápido parece pasar más lenta que en la Tierra.

Por extraño que parezca, este ejemplo (y muchos otros) demuestra que en la teoría de la relatividad, el espacio y el tiempo de Einstein están íntimamente ligados entre sí. Si aplica las ecuaciones de transformación de Lorentz, que funcionan de manera que la velocidad de la luz es perfectamente consistente para ambos observadores.

Este extraño comportamiento del espacio y el tiempo sólo es evidente cuando estás de viaje cerca de la velocidad de la luz, por lo que nadie había observado nunca antes. Los experimentos llevados a cabo desde el descubrimiento de Einstein han confirmado que es verdad - tiempo y el espacio se perciben de manera diferente, precisamente en la forma en que Einstein describe, por objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz.

Masa unificador y energía

La obra más famosa de la vida de Einstein también data de 1905 (un año de mucho trabajo para él), cuando aplicó las ideas de su papel de la relatividad para llegar a la ecuación E=mc2 que representa la relación entre la masa (m) y la energía (E).

En pocas palabras, Einstein encontró que a medida que un objeto se acercó a la velocidad de la luz, c, la masa del objeto aumenta. El objetivo va más rápido, sino que también se vuelve más pesado. Si fuera realmente capaz de moverse a c, la masa del objeto y de la energía serían tanto ser infinita. Un objeto más pesado es más difícil de acelerar, por lo que es imposible de conseguir en realidad nunca la partícula hasta una velocidad de c.

Hasta Einstein, los conceptos de masa y energía eran vistos como completamente separados. Demostró que los principios de conservación de la masa y la conservación de la energía son parte de la misma, el principio más grande unificado, conservación de la masa-energía. La materia se puede convertir en energía y la energía se puede convertir en asunto porque existe una conexión fundamental entre los dos tipos de sustancias.




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