Lo relativo, relativo es…

Todos sabemos que la gravedad altera el espacio, modificando el tamaño de los objetos. Por ejemplo, un astronauta es más alto en la luna que en la tierra. Un ejemplo algo más clásico son los agujeros negros, objetos que nacieron de una estrella que se volvió tan densa (a mayor densidad mayor gravedad) que terminó “cayendo” sobre sí misma, dando lugar al antes nombrado agujero negro. Cualquier planeta (o cualquier objeto) que se acercase al limite de influencia del agujero, comenzaría a deformarse a causa de la gravedad antes de destruirse completamente a medida que se acerca al horizonte de eventos.Esto no es teoría, la influencia de la gravedad sobre cualquier objeto celeste es un fenómeno fácilmente comprobable por cualquiera que posea un telescopio casero de mediana capacidad y sin ir más lejos, podemos obviar el telescopio y sentarnos cómodamente en cualquier playa para observar cómo la marea sube a raíz de la influencia de la gravedad lunar.

Ahora bien, si como dijimos en incontables ocasiones, el espacio y el tiempo son partes de un mismo elemento, significa que la gravedad también altera el tiempo?… Efectivamente.

Les doy un ejemplo interesante. Supongamos que nos tomamos unas vacaciones en Egipto. Obviamente lo primero que visitaríamos serían las pirámides, no hay duda de ello. Nos paramos en frente de la gran pirámide de Keops asombrados de su magnificencia. Pues bien, aquí se da un efecto digno de mención… el tiempo alrededor de la pirámide no corre a la misma velocidad que, digamos, a dos kms de distancia de ese lugar. Porqué?… pues porque la pirámide es un objeto, y como tal tiene su propia gravedad. Al ser un objeto tan masivo altera el espacio y el tiempo a su alrededor. Los cambios son mínimos, casi imperceptibles, pero se pueden medir perfectamente.
Qué?… que si estoy seguro de lo que estoy diciendo?… veamos otro ejemplo más cotidiano y claro.
Todos poseemos un teléfono móvil. Estos incorporan una tecnología increíble en su diseño y prestaciones. Nos acostumbramos a ella y la aplicamos cotidianamente como una herramienta más de las que tenemos a disposición.
Entre estas tecnologías de uso diario, muchos de nosotros usamos el GPS con asiduidad ya sea para trasladarnos, localizar lugares, trazar rutas, llegar más rápido, etc.
El sistema GPS (Global Positioning System) está conformado por una red de satélites que orbitan

Imagen

alrededor de la tierra a una velocidad de 3.87 Km/s, o sea, más o menos 14000 km/h. Están ubicados a una altitud de 20000 km de la superficie terrestre (para tener una idea de esta distancia tengamos en cuenta que Félix Baumgartner, en la misión Red Bull Stratos llegó a una altura de 35,5 km solamente). Poseen un complejo sistema de relojes de cuya presición depende la exactitud de los datos que nosotros recojemos y utilizamos aqui en la tierra ya que los mismos deben estar sincronizados perfectamente con los nuestros.
Esto implica el siguiente dilema: nosotros estamos sobre la superficie terreste, en donde la gravedad tiene una determinada influencia en el tiempo, pero los satélites de la red GPS está muy por encima de nosotros y la inlfuencia gravitacional es algo más débil. En otras palabras el tiempo corre diferente para nosotros que para los satélites de posicionamiento global.
Los relojes satelitales adelantan con respecto a los relojes en la superficie de nuestro planeta lo que fué predico por Einstein en su teoría.
Si queremos ser más exactos digamos que los satélites adelantan 38000 nanosegundos por día.

Afortunadamente contamos con ingenieros especializados encargados de encontrar la solución utilizando fórmulas matemáticas en base a la métrica de Schwarzchild.

Para profundizar en el tema si les interesa les dejo algunos links:

Los GPS y la relatividad

Efectos de la gravedad sobre el tiempo

Como funcionan los GPS´s

SEE YOU…

No soy de aquí ni soy de allá…

Una de las principales metas actuales de la ciencia es encontrar una teoría que lo explique todo, una fórmula unificadora como la famosa E=mc2 pero sobre la que se asienten las bases de nuestro universo, una fórmula que explique porqué el cosmos funciona como funciona.

A la cabeza de esta cruzada científica nos encontramos con Stephen Hawking, quien desde hace años trata de encontrar las variables de esta esquiva fórmula.

Para comenzar esta búsqueda cualquiera que desee emprenderla deberá sumergirse por los mares de la física, navegando entre la teoría de la relatividad, la gravedad, la luz, La energía, partículas y subpartículas.. en fin… con toda una fauna increíblemente compleja, que apenas podemos pellizcar nosotros los simples mortales.

Pero que no decaigan los espíritus chocarreros (diría la bruja del 71…) que intentaremos juntos develar algunos de estos misterios cual emulo de Indiana Jones de las Ciencias…(bueh…. al menos lo intentaremos…)

Uno de los primeros ámbitos que deberemos explorar (o mínimamente conocer) es lo que se llama la mecánica cuántica

Según la wiki la mecánica cuántica es una de las principales ramas de la física que explica, o al menos eso intenta, el comportamiento de la materia y la energía. También nos dice la wikipedia que gracias a ella o más bien a su aplicación pudieron desarrollarse muchas tecnologías (entre ellas los transistores).
La mecánica cuántica describe a cualquier sistema físico y por lo tanto engloba a todo el universo, pero cabe mencionar que esta rama de la ciencia, a su vez posee múltiples subramas (mecánica cuántica relativista, teoría cuántica de campos, electrodinámica cuántica, etc.)
Porqué es necesaria una rama como esta dentro de la ciencia…? Veamos.

Existen 12 partículas elementales en base a las cuales existen todas las cosas, todo el universo. Estas partículas son lo elementos mas simples que existen ya que no tienen “partes”, pero afortunadamente nuestros ingenieros crearon algo llamado acelerador de partículas, que básicamente lo que hace es llevar a estas partículas a velocidades increíbles y las hace chocar unas con otras, “partiéndolas” y observando los elementos  y restos subyacentes… (esto explicado por supuesto de una manera muy simplista…) Es por ello que sabemos por ejemplo que los protones están compuestos por quarks.

En este mundo atómico y subatómico nuestras teorías normales para explicar el mundo físico no pueden aplicarse. En nuestro mundo a tamaño normal podemos medir exactamente una roca que cae, estableciendo a qué velocidad y en qué dirección mediante simple observación utilizando unos cuantos cálculos sencillos. Esto se torna imposible en el mundo cuántico, ya que no se puede medir una partícula en todas sus propiedades de manera simultánea, ya que ésta puede encontrarse en dos lugares al mismo tiempo. Naaahhh… no se me fué la mano con el Tia María ni nada que se le parezca.. hay que echarle la culpa al principio de incertidumbre que encontramos en la física cuántica y a un muchacho de apellido Heisemberg. Otra “rareza” (en realidad todo en el mundo cuántico actúa de manera extraña…) es que las ondas (como la luz) bajo ciertas circunstancias se comportan como partículas y en otras las partículas pueden actuar como ondas.

Estas alteraciones ocurren por la simple observación. En realidad todo sistema cuántico es alterado por la simple observación. Pareciese que la materia “percibe” que está siendo observada y altera su comportamiento para que no nos volvamos locos… pero logra que nos enloquezcamos más aún… (al menos yo… que tengo tres neuronas activas… y se comportan como les dá la gana…)

Para ilustrar esto les pongo un video muy simpático y muy sencillo de entender… (hasta tiene dibujtos y todo…!!!)

Ahora bien… ya comprendimos algunos conceptos: en el mundo cuántico una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo, puede comportarse como una onda, y puede cambiar su estado cuando se intentan observar sus cualidades.

Por estos y otros motivos Erwin Schrödinger ideó un experimento imaginario cuyo fin es el de tratar de exponer las diferencias entre las características del mundo macroscópico que todos conocemos y las del mundo cuántico, utilizándo elementos de ambos universos.

En el video que les traigo está explicado claramente este experimento.  SEE YOU…

Algo De Luz…

Científicamente hay dos maneras de analizar estos conceptos, desde el punto de vista de la mecánica clásica en donde podríamos ver a estos dos componentes como entidades independientes y separadas como nos lo demuestran las transformaciones de Galileo, y desde el punto de vista de la teoría de la relatividad en donde se considera la constancia de la velocidad de la luz y deja de tratarse al tiempo como coordenada independiente. Comenzamos a hablar en este punto de espacio-tiempo (como a mí me gusta…).
Nuestro modo cotidiano y casual de observar la naturaleza nos lleva a considerar al espacio como algo diferente al tiempo pero, como veremos más adelante, esta forma no es del todo acertada.
Observamos el mundo siguiendo lo que dictan las las bases Newtonianas y las transformaciones de Galileo. De qué se trata esto?, pues de una simple ecuación que transcribo a continuación:

x’=x+vt

y’=y

z’=z

t’=t

Esto, traducido un tanto chapuceramente, significa que la ecuación rige el paso de un sistema de referencia de Galileo a otro que se mueve con un movimiento rectilíneo y uniforme con una velocidad v. respecto al primero.
La relatividad de Galileo consiste en sumar velocidades usando el signo (+) o (-) según sea el sentido de las mismas.
Tomemos algún ejemplo simple.
Supongamos que estamos subidos en un colectivo (micro, bus o como quieran llamarle). En un determinado momento vemos pasar otro bus en sentido contrario al nuestro. Ahora bien, fuimos nosotros quienes nos movimos o el otro micro era el que se movía…? Quizás fueron ambos medios los que estaban en movimiento. A qué velocidad se produjo este desplazamiento?… Y la distancia? Como determinar estas variables? Simple. Establecemos un Sistema de Referencia.
Si decimos que nos movemos a 40 kms por hora esto es con respecto al elemento al que tomamos como referencia, en este caso al suelo. Si además caminamos por el pasillo del colectivo a digamos, 5 kms por hora en la misma dirección que nuestro vehículo nos estaremos moviendo en realidad a 45 kms por hora ya que deberemos sumar a nuestra velocidad la velocidad del micro sobre el cual estamos y siempre en relación al suelo.
De este modo podemos saber con exactitud (al menos en lo cotidiano) si nos movemos o no, a qué velocidad e incluso cuál es la distancia que recorremos.
Otra característica que posee el sistema de Galileo es que el tiempo se mantiene invariable, es decir… si medimos el traslado del colectivo durante 80 kms. este habrá durado invariablemente 2 hs. (es sólo un ejemplo) sin importar si nosotros hacemos la medición subidos en el colectivo o parados al costado de la ruta.
A los fines prácticos de nuestra vida diaria con esto nos basta y sobra y podemos cubrir todas nuestras necesidades cotidianas sin demasiados problemas.
Ahora bien, cuando comenzamos a hilar fino, cuando comenzamos a hablar de nanosegundos, y a medir las distancias en micrones, nos damos conque existen incongruencias a las que no podemos dar solución desde la mecánica clásica.
Aquí hacen su aparición una camada de científicos que intentaban dar con una respuesta coherente y clara a incontables problemas en cuanto a mediciones precisas de tiempo y espacio (aquí deberíamos hablar de cuestiones como el efecto fotoeléctrico, la formula de la radiación de un cuerpo caliente o lo inherente a las rayas en los espectros de emisión del Hidrógeno entre otras cosas, algo que no haremos dada mi profunda ignorancia para encarar y esclarecerles estos temas).
Volvamos al colectivo. Seguimos en viaje y vamos a unos 90 kms. por hora. La noche se deja caer sobre nosotros. El chófer enciende las luces para ver la carretera y y evitar cualquier accidente en alguna curva poco visible.
Al observar esto y sabiendo que la luz se desplaza a mas o menos 300.000 kms. por segundo podríamos concluir que la luz que emiten los faros debería moverse en esos momentos a unos 300.000,025 kms por segundo, ya que sumamos la velocidad de la luz más la velocidad de desplazamiento de nuestro colectivo como lo haríamos en un sistema Newtoniano. Estaremos en lo correcto?
Pues no. Luego de análisis, ecuaciones, estudios y experimentos se concluyó que la luz se mueve siempre a la misma velocidad independientemente de la velocidad a la que se desplace su fuente de origen. Uno de los postulados de la teoría especial de la relatividad general de Albert Einstein sostiene justamente esto:
-La luz se mueve siempre a velocidad constante de 300.000 Km/seg, independiente de la velocidad de la fuente emisora.
Y…
-No existe ningún experimento posible en una nave que nos permita saber si nos estamos moviendo.
Con esto Einstein niega la teoría Galileana y las bases de Newton, tomando como referencia el primer postulado al que se hizo referencia.
Un ejemplo que me gustó y que encontre en Portal Planeta Sedna dice:
“Si la velocidad de la luz dependiera de la velocidad del emisor, se tendría una forma de determinar el movimiento uniforme, experiencia que negaría al segundo postulado. Por ejemplo, si hacemos un ejercicio mental, que tanto le gustaba a Albert, suponte que vas sobre una nave que va aumentando rápidamente su velocidad y tú tienes un espejo en la mano donde te puedes ver reflejado. Resulta que cuando viajes a una velocidad superior a la de la luz, tu cara desaparecerá del espejo por que ya la luz que tu rostro irradia no lo alcanzara…”
También les recomiendo como “de lectura obligada” el capitulo 8 de la fantástica serie Cosmos del maestro Carl Sagan.
Otro postulado de esta teoría de Einstein es que a velocidades muy altas o cercanas a la de la luz el tiempo comienza a ralentizarse, a ir más despacio.
Como demostrarle esto a, por ejemplo, mi vecina Josefa que me mira como desconfiando de lo que digo?… mmmm… a ver… a mi no se me ocurrió un ejemplo cotidiano que pudiera usar para hacer la demostración, salvo el de los GPS´s, pero que no quiero utilizar porque abarca otros temas que aún no voy a tratar como el de la fuerza de gravedad, pero leyendo en la misma web de portal Planeta encontré el siguiente que me gustó:
…”En la atmósfera a unos 10.000 m. aproximadamente de altura aparecen partículas elementales llamada muones que se desplazan a una velocidad muy cercana a la de luz, a unos 0.998 de c. Esa partículas son muy inestables y en reposo tienen un tiempo de vida de 0,00000002 s. (2×10-8), es decir sumamente corto. Bien si se calcula sin tener en cuenta la física relativista, se observara que al multiplicar el tiempo de vida por su velocidad, los muones solo recorrerían unos 600 metros, antes de desaparecer, por lo que ninguno podría llegar a la superficie de la Tierra. Experiencias realizadas en tierra, han confirmado la aparición de millones de ellos, contrariando a los cálculos físicos aplicados.
Justamente ahí surge el error, porque en el sistema del muon a esa velocidad el tiempo en el sistema Tierra es de unos 15 veces superior, y ese es el tiempo que hay tomar para efectuar los cálculos (15 x 2 microsegundos=30). Con ese nuevo tiempo los 600 m iniciales se transformarían en 9000 m. y explicaría porque llegan a la superficie. Esos 9000 en el sistema Tierra, se reducen a 600 m. en el sistema muon, porque ahora se debe usar el tiempo del muon…
En resumen… a bajas velocidades la mecánica Newtoniana funciona sin inconvenientes, de hecho muchas misiones espaciales toman como referencia a Newton para algunas mediciones de trayectorias y órbitas. Sin embargo la mecánica de Newton forma parte de un concepto mucho más amplio que es la teoría de la relatividad de Albert Einstein.
Homework:
A) Leer el articulo de Portalplaneta en donde se profundiza más sobre este tema.
B) Mirar inmediatamente el capitulo nro. 8 de la serie Cosmos.
c) Mientras tomamos un capuchino, buscar en la red enlaces para ver el documental nro 2 (creo que era ese) de Stephen Hawking en donde habla también de la velocidad de la luz y la alteración del tiempo.

SEE YOU…