Interpretaciones del concepto espacio-tiempo y la teoría de la relatividad especial

Tras la lectura de un fragmento del libro El Tejido del Cosmos de Brian Green, los estudiantes del Máster de Historia de la Ciencia y la Comunicación Científica han aceptado el complicado reto de proponer una metáfora o comparación interpretativa que explique de una forma sencilla y asequible conceptos de la física relacionados con la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein.

A continuación se recogen algunas de las propuestas:


El egoísmo de la luz

José Javier Vera

La luz, ese tren de alta velocidad, está a punto de pasar por la estación. A ti, que se te ha escapado el metro para ir al trabajo, se te ocurre montarte en este vehículo tan especial. Sin darte cuenta, este también pasa de largo. Tú te niegas a seguir esperando y corres todo lo que puedes para alcanzarle. Sin embargo, tus ojos, aunque ahora en movimiento, perciben que su velocidad es la misma que cuando estabas sentado en el banco de la terminal. La luz, consciente de que te deja atrás, es egoísta y no te espera. Tú aceleras todo lo que tu cuerpo te permite y, aun así, sigue sacándote la misma ventaja.

Sofocado, recuerdas esa ecuación que aprendiste cuando eras pequeño y que dice que la velocidad es igual al espacio dividido por el tiempo. Piensas que, si la velocidad del tren siempre es la misma, el espacio y el tiempo tienen que variar según tu ritmo para que el valor siga siendo el mismo, nada más y nada menos que 1.080 millones de kilómetros por hora. Por lo tanto, estas dos variables no serán iguales que cuando contemplabas el tren desde la estación, esperando que este sí lo pillarás a tiempo. Y es que, el egoísmo de la luz, el vehículo que a nadie transporta, que no espera ni hace paradas, nunca te permitirá que le alcances.

Una historia de muchas dimensiones

Raquel Calatatyud

Albert Einstein, ideólogo de la Teoría de la relatividad, fue el primero en hablar del tiempo como una cuarta dimensión. Sin embargo, muchos otros antes que él, reflexionaron sobre las dimensiones superiores a las tres que nos son más familiares. Edwin Abbot Abbot, matemático, escritor y teólogo inglés, publicó a fines del siglo XIX un relato titulado Planilandia. Una novela de muchas dimensiones. Lo fantástico de esta novela satírica es el escenario donde se desarrolla la historia y donde se desenvuelven sus personajes: un universo con mundos de distintas dimensiones, donde los personajes logran entrar y salir de ellos. En esta analogía dimensional, vemos qué ocurre cuando un objeto de tres dimensiones, como una esfera, aparece ante un observador que vive en un mundo de dos dimensiones. Y pasa esto:

Abbot (1)

Abbot (1)

Lo primero que veríamos sería un punto seguido de círculos concéntricos cada vez más grandes hasta llegar a un momento a partir del cual los círculos empezarían a disminuir su diámetro. Es decir, la tercera dimensión (la ‘esfericidad del círculo’) sería imperceptible para este habitante del mundo de dos dimensiones, y probablemente bastante incomprensible, como lo es la teoría de la relatividad confrontada a nuestro ‘sentido común’.

Ahora bien: ¿qué ocurre cuando esta esfera “habita” una cuarta dimensión? ¿Y una quinta? ¿Cómo la percibiríamos los habitantes del mundo en tres dimensiones? Un profesor universitario nos lo mostró de forma muy sencilla, ante el asombro y diversión de los estudiantes. ¿Qué hizo? Se colocó en un extremo de la sala con un globo deshinchado en la boca. Empezó a caminar lentamente hacia el otro extremo de la sala a medida que iba hinchando el globo con la boca. En la mitad de la sala dejó que el globo se deshinchara hasta llegar al final de su recorrido. Una ‘esfera’ de cuatro dimensiones observadas por un centenar de jóvenes viviendo conscientemente en sólo tres. Abbot recurrió a un espacio euclidiano de n dimensiones geométricas para dar vida a sus personajes. Mi genial profesor de matemáticas, nos hizo tomar conciencia del tiempo como una cuarta dimensión (incluyendo de paso en el ‘experimento’ una quinta dimensión, esta sí, espacial), y de la íntima relación entre el movimiento a través del espacio y el movimiento a través del tiempo.

«La teoría de la relatividad especial de Einstein: un experimento en las escaleras del metro»

Beatriz Pascual

Einstein revolucionó nuestra comprensión del universo. Descubrió, que el tiempo y el espacio no son absolutos como creía Newton, sino que son relativos. ¿Pero qué significa esto? Para explicarlo utilizaremos una metáfora.

Imaginemos a tres individuos dentro de una estación de metro. El primero se llama Juan, está de pie y permanecerá quieto donde comienzan las escaleras. El segundo es Pedro, él subirá la escalera a una velocidad de 5 mts/seg. Nuestro tercer personaje es una chica, se llama Diana, ella subirá por la escalera eléctrica, que lleva una velocidad de 10 k mts/seg.

A la cuenta de tres, Juan permanece en su sitio, mientras que Pedro y Diana comienzan a subir la escalera. Juan y Pedro miden la velocidad a la que Diana se aleja de cada uno de ellos.

Unos años después llegan las nuevas tecnologías, e instalan en el metro una escalera que sube a 1.080 millones de kms/hr. Juan y Pedro deciden repetir el experimento, pero esta vez invitaron a Luz, una nueva amiga. Para ello, Pedro, que subiría la escalera andando, ¡consiguió unas zapatillas con las que casi podía volar!, y alcanzaría una velocidad de 580 millones de kms/hr, es decir, nuevamente se movería a la mitad de la velocidad que las escaleras eléctricas por las que subiría Luz.

En el primer experimento, Juan y Pedro, obtuvieron resultados diferentes. Juan midió que Diana se alejaba de él a 10 mts/seg, en tanto que Pedro midió que Diana se alejaba de él a 5 mts/seg

¿Pero qué pasó en el segundo experimento? ¡Algo sorprendente! Tanto Pedro como Juan obtuvieron el mismo resultado, su compañera Luz se alejaba de cada uno de ellos a la misma velocidad, esto es 1.080 millones de kms/hr

¿Cómo es esto posible? Bien, durante mucho tiempo, la física de Newton funcionó para explicar el movimiento de los cuerpos, sin embargo, cuando intentaron aplicar estas fórmulas para estudiar la velocidad de la luz, los físicos se encontraron este inesperado resultado. Un fenómeno que sólo Einstein pudo explicar con la teoría de la relatividad especial, que predice que el tiempo de Pedro transcurrirá más lentamente por estar en movimiento, y que el tiempo de Juan, transcurrirá más rápido por estar quieto. Einstein encontró que el tiempo y el espacio están íntimamente ligados y que si un objeto invierte energía para desplazarse en el espacio, se desplazará más lentamente a través del tiempo.

 

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