Nuestras experiencias cotidianas están relacionadas con objetos que se mueven a velocidades muy inferiores a la de la luz. Newton elaboró una mecánica para describir estos movimientos con gran éxito.
Pero esta teoría que funciona muy bien para bajas velocidades, erra cuando se aplica a cuerpos que se mueven a velocidades comparables con la de la luz.
Por ello, la teoría de la relatividad surge como una necesidad de explicar la mecánicas de los objetos cuando se mueven a grandes velocidades. Esta teoría no invalidan las Leyes de Newton. De hecho, la teoría de Newton, es un caso especial de la teoría generalizadora de Einstein.
1.- Conceptos básicos.
A continuación vamos a exponer unos conceptos básicos. Sin su compresión será muy difícil entender la relatividad especial por ello os aconsejo una lectura detenida de cada uno de los conceptos explicados.
En los siguientes apartados se hablará de ellos deduciendo su conocimiento.
Sistema de referencia:
es un conjunto de sistemas coordenados en reposo relativo entre si.
En mecánica clásica frecuentemente se usa el término para referirse a un sistema de coordenadas ortogonales para el espacio euclídeo (dados dos sistemas de coordenadas de ese tipo, existe un giro y una traslación que relacionan las medidas de esos dos sistemas de coordenadas).
En mecánica relativista se refiere usualmente al conjunto de coordenadas espacio-temporales que permiten identificar cada punto del espacio físico de interés y el orden cronológico de sucesos en cualquier evento, más formalmente un sistema de referencia en relatividad se puede definir a partir de cuatro vectores ortonormales
(uno temporal y tres espaciales).
Ejemplo: En la imagen podemos ver la coordenadas r y r' de un punto material medida desde dos sistemas de referencia. Los valores de r y r' difieren. Si esta partícula inicia un movimiento, ambos sistemas de coordenadas medirán posiciones diferentes. En relatividad también trabajaremos con la coordenada temporal.
Sistema de referencia inercial:
Es un sistema de referencia en el que son válidas las leyes de Newton. Cumplen tres características:
-El punto de referencia es arbitrario, dado un sistema de referencia inercial, cualquier otro sistema desplazado respecto al primero a una distancia fija sigue siendo inercial.
- La orientación de los ejes es arbitraria, dado un sistema de referencia inercial, cualquier otro sistema de referencia con otra orientación distinta del primero, sigue siendo inercial.
- Desplazamiento a velocidad lineal constante, dado un sistema de referencia inercial, cualquier otro que se desplace con velocidad lineal y constante, sigue siendo inercial.
Por combinación de los tres casos anteriores, tenemos que cualquier sistema de referencia desplazado respecto a uno inercial, girado y que se mueva a velocidad lineal y constante, sigue siendo inercial.
Si tenemos dos sistemas de referencia inerciales que se mueven con velocidad constante uno respecto al otro, no existe ningún experimento mecánico que pueda decirnos cuál está en reposo y cuál está en movimiento,o si ambos están moviéndose. Esta propiedad de conoce como el principio de la relatividad newtoniana.
Otra forma de expresarlo es que no puede detectarse el movimiento absoluto.
Vamos a ver un ejemplo para comprender mejor estos términos.
En la imagen de la izquierda tenemos al observador A que viaja dentro del vagón de un tren
y al observador B que está en el andén.
En el dibujo superior. ¿Quién de los dos se mueve? Para el observador A que está quieto en el vagón es el observador B el que se mueve. Pero el observador B, afirma que él es el que está quieto y que es el observador A el que se mueve. Es decir, ambos están en sistemas de referencia diferentes (andén y tren).
En el dibujo inferior, el observador A deja caer una piedra.
Este observador contempla cómo la piedra cae verticalmente al suelo. Pero el observador B, contempla una trayectoria muy diferente.
Para él, la piedra describe una trayectoria curva, desde que es soltada por la mano del observador B,
hasta que choca contra el suelo del vagón.
De nuevo hemos visto como dos observadores en dos sistemas de referencia diferentes
contemplan trayectorias distintas.
2.- Postulados de Einstein.
La teoría de la realtividad de Einstein se puede deducir a partir de dos postulados básicos:
1.- No puede detectarse el movimiento absoluto uniforme.
2.- La velocidad de la luz es independiente del movimiento de la fuente emisora.
Vamos a explicar estos dos postulados.
Postulado 1:
No puede detectarse el movimiento absoluto uniforme.
En todos los sistemas de referencia inerciales, las leyes de la física de portan de la misma manera.
Si estamos realizando un experimento en el laboratorio y un conductor nos observa desde su vehículo cuando circula por una carretera cercana, en estos dos sistemas de referencia, laboratorio y coche,
se cumplen las mismas leyes de la física.
Por ello, no existe ningún experimento que sea capaz de diferenciar los dos sistemas inerciales.
Lo único que podemos distinguir es la velocidad relativa entre ellos, es decir, la velocidad relativa entre el coche
y el laboratorio. ¿Pero cuál de los dos sistemas está en movimiento?
Como hemos explicado en la primera parte del curso, depende del observador de cada sistema.
Para el conductor del vehículo, es el laboratorio el que se mueve, y para el científico, el conductor del coche.
Postulado 2:
La velocidad de la luz es independiente del movimiento de la fuente emisora.
Este postulado también se puede enunciar como:
Todo observador mide el mismo valor de c para la velocidad de la luz. Vamos a demostrarlo.
Tenemos una fuente puntual S que emite un rayo de luz, y tres observadores,O1 que está inmóvil, O2 que se acerca a la fuente de luz y O3 que se aleja de la fuente de luz. La fuente de luz S está en reposo.
La velocidad de la luz medida en O1 es c. Sabemos que V=s/t. Entonces si O2 se acerca a la fuente S,
parecería lógico deci que detectará antes la luz. Y también podríamos decir del mismo modo, que O3 la recibiría más tarde. Pero esto no es lo que ocurre.
Los experimentos demuestran que todos los observadores miden para la velocidad de la luz el valor c.
¿Por qué si parece tan ilógico?
El postulado 1 dice que no es posible detectarse el movimiento absoluto.
Luego si lo aplicamos al ejemplo descrito, no podemos saber cuál de los dos sistemas de referencia
(luz u observadores) está en movimiento y cuál en reposo.
Y según el postulado 2, la velocidad de la luz es independiente del movimiento de la fuente emisora
. Así pues, uniendo estos dos postulados podemos deducir que todo observador mide el mismo valor c
para la velocidad de la luz.
