Lectura – Velocidades Relativistas y la Teoría de Einstein: Del Experimento de Michelson-Morley a las Transformaciones de Lorentz
¿Cómo surgieron las teorías relativistas?
Antes del advenimiento de la Teoría de la Relatividad, se utilizaba la Relatividad Galileana para describir las transformaciones de velocidades en sistemas de referencia inerciales. Según la Relatividad Galileana, si tenemos dos sistemas de referencia en movimiento rectilíneo uniforme uno respecto al otro, la velocidad de un objeto medida en un sistema de referencia se puede obtener simplemente sumando o restando la velocidad del objeto en el otro sistema y la velocidad del sistema de referencia. Sin embargo, la Relatividad Galileana no es aplicable a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, ya que no tiene en cuenta los efectos relativistas.
La transformación de velocidades en la Teoría de la Relatividad es un concepto fundamental para entender cómo la naturaleza del tiempo, el espacio y el movimiento cambian a velocidades cercanas a la de la luz. La constancia de la velocidad de la luz y las ecuaciones de la Transformación de Lorentz han sido confirmadas experimentalmente en innumerables ocasiones y son pilares fundamentales de nuestra comprensión moderna de la física. La Teoría de la Relatividad ha demostrado ser esencial para describir fenómenos físicos a alta velocidad y ha llevado a numerosas aplicaciones prácticas en la ciencia y la tecnología moderna.
¿Cómo se cambió esta percepción de la relatividad galileana a la relatividad especial?
El experimento de Michelson-Morley
El experimento de Michelson-Morley es un famoso experimento realizado en 1887 por el físico estadounidense Albert A. Michelson y el químico y físico estadounidense Edward W. Morley. Fue diseñado para detectar el éter, un hipotético medio que se creía que llenaba todo el espacio y a través del cual se suponía que la luz se propagaba.
En ese momento, la física clásica postulaba que la luz se comportaba como una onda y, según la teoría del éter, debía propagarse a través de este medio, al igual que las ondas sonoras se propagan a través del aire. Se pensaba que la Tierra se movía a través del éter debido al movimiento orbital alrededor del Sol, lo que debería haber causado una diferencia en la velocidad de la luz dependiendo de si se medía en la dirección del movimiento de la Tierra o perpendicular a ella.
.svg){kind=link}
El experimento de Michelson-Morley consistía en un interferómetro, un dispositivo óptico que divide un haz de luz en dos caminos perpendiculares y luego los vuelve a reunir. Si hubiera una diferencia en la velocidad de la luz debido al movimiento de la Tierra a través del éter, esto habría resultado en un desplazamiento de las franjas de interferencia observadas cuando se combinaban las dos trayectorias del haz de luz.
Sin embargo, sorprendentemente, los resultados del experimento no mostraron ningún desplazamiento en las franjas de interferencia, incluso cuando se realizó en diferentes épocas del año y en diferentes direcciones en relación con el movimiento de la Tierra. Esto implicaba que la velocidad de la luz no era afectada por el movimiento de la Tierra a través del éter, lo que llevó a un enigma para los científicos de la época.
Estos resultados experimentales fueron uno de los catalizadores para el desarrollo de la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein, que eliminó la necesidad del éter y revolucionó nuestra comprensión del tiempo, el espacio y el movimiento a velocidades cercanas a la luz.
Las transformadas de Lorentz
Las transformaciones de Lorentz surgieron como resultado de los esfuerzos para reconciliar los resultados del experimento de Michelson-Morley con las leyes de la física clásica, en particular las ecuaciones de Maxwell que describen el electromagnetismo. Estas transformaciones son la base de la Teoría de la Relatividad Especial, formulada por Albert Einstein en 1905.
El experimento de Michelson-Morley, como mencionamos anteriormente, no detectó ningún efecto del éter en la velocidad de la luz, lo que llevó a la conclusión de que la velocidad de la luz es constante y no depende del movimiento del observador. Esta contradicción aparente con la física clásica clásica llevó a Einstein a reconsiderar la naturaleza del tiempo y el espacio.
Einstein propuso que en lugar de intentar reconciliar los resultados del experimento de Michelson-Morley con las leyes de la física clásica, debemos reexaminar las propias leyes. Llegó a la conclusión de que el espacio y el tiempo no son entidades independientes y absolutas, como se había asumido en la física clásica, sino que están intrínsecamente relacionados y forman una entidad unificada: el espacio-tiempo.
Las transformaciones de Lorentz surgen al considerar cómo las coordenadas espaciales y temporales se relacionan entre dos sistemas de referencia inerciales (observadores que se mueven a velocidades constantes entre sí). Estas transformaciones permiten pasar de las coordenadas de un sistema de referencia a otro y son fundamentales para entender cómo las medidas de distancias y tiempos difieren entre observadores en movimiento relativo.
Estas transformaciones tienen propiedades interesantes, como la dilatación del tiempo y la contracción de longitudes, que son fenómenos relativistas fundamentales. La Teoría de la Relatividad Especial se basa en estas transformaciones y proporciona una descripción coherente y consistente de cómo los observadores en diferentes sistemas inerciales perciben eventos y mediciones en el espacio y el tiempo.
Teoría de la relatividad
La Teoría de la Relatividad, formulada por Albert Einstein en el siglo XX, revolucionó nuestra comprensión del tiempo, el espacio y la gravedad. Una de las ideas fundamentales de esta teoría es que la velocidad de la luz en el vacío es constante e invariable, con un valor aproximado de 299,792,458 metros por segundo (aproximadamente 300,000 km/s). Esta constancia de la velocidad de la luz tiene implicaciones importantes para la transformación de velocidades entre observadores en movimiento relativo.
La Teoría de la Relatividad Especial, publicada por Einstein en 1905, introduce el concepto de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, independientemente de sus movimientos relativos. Esta idea se conoce como “Principio de la constancia de la velocidad de la luz” o “Principio de la invariancia de la velocidad de la luz”.
La invariancia de la velocidad de la luz conduce a una transformación de las velocidades clásicas a velocidades relativistas cuando se pasa de un sistema de referencia a otro que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz. Esta transformación se rige por las ecuaciones de la Transformación de Lorentz.
A velocidades cercanas a la de la luz, las diferencias entre la Relatividad Galileana y la Relatividad Especial se vuelven significativas. Por ejemplo, cuando se suman dos velocidades cercanas a la velocidad de la luz, la velocidad resultante no será simplemente la suma de las dos velocidades, como se esperaría según la Relatividad Galileana. En cambio, las velocidades resultantes estarán siempre por debajo de la velocidad de la luz, lo que significa que ningún objeto con masa puede alcanzar o superar la velocidad de la luz.