Plan "B" para entender la Relatividad (III), tercera entrega:"Sobre la insuperable velocidad de la luz"

En esta tercera entrega de la serie, incidiremos exclusivamente en el principio fundamental en el que se basa la Teoría de la Relatividad de Einstein: El hecho de que la velocidad de la luz en el vacío sea un límite máximo en la Naturaleza. Esta peculiaridad permite que las reacciones químicas se produzcan como lo hacen, que la vida exista, que no podamos viajar por el tiempo de forma caótica, y que las fuerzas y energías de la Naturaleza rijan el Universo tal y como lo hacen. No poder superar este límite de velocidad no es filosofía, sino realidad, y tiene una explicación física de aplastante solidez… intentemos explicarlo con un nuevo ejemplo y sus correspondientes dibujitos:

Antes de nada, tal vez interese echar un vistazo a las explicaciones que hemos dado acerca de la Relatividad en artículos anteriores, para poder seguir el hilo:

1º artículo2º artículo

 

Comencemos.

El Principio que planteamos es que “la velocidad de la luz en el vacío tiene una medida máxima, y nada puede superar dicho límite”. Esta velocidad es de aproximadamente 300.000 km/segundo. Hay fenómenos capaces de superar esta velocidad, pero cuando lo hacen, ya no pertenecen al Universo físico al que pertenecemos (hablaremos de ello en otro artículo). Si la velocidad de la luz en el vacío “c” fuera mayor de lo que es, el Universo entero cambiaría.

Para entender por qué no se puede superar esta velocidad, debemos imaginar el espacio como un lugar formado por “burbujas independientes” de espacio, algo así como un “panal”, donde cada “burbuja” está separada de sus vecinas por un vacío al que llamaremos “la nada”. Cada una de esas burbujas espaciales recibe el nombre de “Cuanto Espacial”, una idea propuesta en su momento por Max Planck y cuyo tamaño fue calculado (en teoría) como algo tan pequeño que, dentro de un electrón, una tira que tuviera 1,6 billones de burbujas cabría 10 millones de veces, (longitud de Planck = 1.6*10-35 metros).

Por una parte, la luz viaja endiabladamente rápido pero a su vez, el número de burbujas que debe atravesar para cruzar de cualquier punto a otro es tan gigantesco, que a la fuerza se nos antoja que existe una oposición natural entre ambas magnitudes. Para expresarlo graficamente, diremos que el espacio no es un lugar continuo, sino que está formado por habitáculos independiente (los Cuantos espaciales) separados entre sí por barreras de “nada” (donde el Universo conocido “no existe”).

Ahora introduciremos una metáfora para ver qué sucede en un espacio formado por "cuantos espaciales", separados entre sí por barreras de "la nada". Imaginemos un pasillo de 100 m. de longitud (el espacio total) que intercala diversas puertas automáticas cada 20 metros. Cada habitación de 20 metros es un Cuanto espacial, y cada puerta es una barrera de “la nada”. Se puede recorrer este espacio, y todas y cada una de las habitaciones a la velocidad que deseemos, pero las puertas tardan 1 segundo en abrirse. La velocidad a la que podemos correr por los habitáculos no tiene límite, pero las barreras requieren un pequeño tiempo para ser cruzadas. Antes de continuar con el ejemplo, debe entenderse lo que aquí se escribe como una metáfora o un recurso conceptual, nunca como una explicación científica. Es más bien una fábula ideada para explicar ciencia a quienes no están muy introducidos en ella, usando un "pasatiempo". El ejemplo imaginario que aquí se utiliza no es un efecto relativista. La única función de este ejemplo es la de hacer comprender, que por muy rápido que se mueva un objeto, puede existir una velocidad límite insuperable, según las condiciones que ideemos para nuestro hipotético universo imaginario

¿A QUÉ VELOCIDAD MÁXIMA SE PUEDE CRUZAR ESTE ESPACIO?

 

Veamos tres casos:

 

Velocidad lenta: Una tortuga intenta cruzar todo el pasillo a 1 m/s. Tardaría 100 segundos en cruzar todo el pasillo si no hubiera puertas, pero debe frenarse 4 veces para cruzar las 4 puertas automáticas (4 segundos de espera). En total, tardará 104 segundos en recorrer toda la distancia.

De esa forma, aunque su velocidad máxima sea de 1 m/s, su velocidad media habrá sido de 100 m/104 s = 0.96 m/s

Su velocidad total (0,96 m/s) se ha reducido en un 4% , con respecto a la velocidad máxima que podía alcanzar (1 m/s)

Velocidad alta: Un atleta puede correr a 10 m/s. Si no hubiera puertas, tardaría 10 segundos en recorrer el pasillo, pero como debe entretenerse 4 segundos en cruzarlas, su velocidad media será de 100m/14 s = 7,14 m/s

Su velocidad total (7,14 m/s) se ha reducido en un 28,6% , con respecto a la velocidad máxima que podía alcanzar (10 m/s)

 

 

 

Velocidad enorme: Un cohete viaja a 10.000 m/s. A esa velocidad, recorrería un pasillo sin puertas en 0,01 segundos. Pero debe entretenerse 4 segundos en cruzar las 4 puertas, por lo que su velocidad media será de 100 metros / 4,01 segundos = 24,9 m/s

Increiblemente, la velocidad del cohete se ha reducido de 10.000 m/s a 24,9 m/s !!!, o sea, nada menos que un 99,76%

Velocidad infinita: Aunque un fotón pudiera viajar a velocidad infinita por dentro de los pasillos, de forma que tardara cero segundos en recorrer cada sección, siempre debería detenerse 1 segundo en cada puerta. Así que recorrería 100 metros en 4 segundos. No puede ir más rápido, ni aunque su velocidad sea infinita…ni mil veces infinita. La velocidad media máxima sería de 100 m / 4 s = 25 m/s !!! 

 

 

ASÍ PUES, POR  MUY RÁPIDO QUE PUEDA VIAJAR UN OBJETO POR ESTE ESPACIO, SU VELOCIDAD MÁXIMA NUNCA PODRÁ SUPERAR 25 m/s

 

INTERESANTES CONCLUSIONES:

 

 

1- Acabamos de comprobar que en un espacio donde rigen determinadas leyes, es posible que exista una velocidad máxima de desplazamiento, por muy rápido que uno se quiera mover... incluso, aunque se mueva a una velocidad infinita. En el ejemplo del pasillo con puertas, esta velocidad máxima estaba limitada a 25 m/s. En el Universo físico observable, la velocidad máxima es 300.000 km/s

 

2- Si existe una velocidad máxima igual a "c" (v. luz en el vacío), significa que la suma de velocidades tampoco puede superar a "c". Si encendemos un láser dentro de un cohete que viaje a 100.000 km/s, la luz del láser no viajará a 400.000 km/s (sumando la velocidad del cohete más la de la luz), sino que su velocidad sería de nuevo "c".

 

3- Cuanto más despacio se mueva un objeto (la tortuga), menor porcentaje de velocidad se pierde al desplazarse por el espacio (en nuestro ejemplo, sólo un 4%). A medida que aumentamos la velocidad del objeto, el porcentaje de "pérdida aumenta progresivamente, hasta llegar a ese límite máximo insuperable.

 

4- Decir que un objeto pierde un porcentaje determinado de su movimiento (cantidad de movimiento), por el hecho de que pierda rendimiento en su velocidad, es similar a que su masa aumente gradualmente: es como si la inercia lo fuera frenando progresivamente... y aumentar la inercia es sinónimo de aumentar su masa inercial. Esta masa puede convertirse en infinita, cuando la velocidad alcanzada iguala a la velocidad máxima posible (se verá en otro artículo). Por eso, cuanquier objeto material que viaje a la velocidad de la luz, ve aumentada su masa hasta el infinito.

 

La velocidad máxima de la luz en el vacío trae consigo consecuencias muy interesantes para todo aquello que se mueva en el espacio. Todas esas consecuencias fueron determinadas y calculadas por Einstein en sus teorías de la Relatividad. Los cálculos matemáticos no permiten ningún género de dudas al respecto, incluso, gran parte de las predicciones de Einstein ya han sido comprobadas experimentalmente, por lo que estamos en disposición de afirmar que, en tanto no exista una teoría mejor, la Relatividad de Einstein es lo más parecido a la "verdad" que se tiene hoy en día. Este efecto relativista, que afirma la existencia de un límite máximo de "c", fue experimentado con éxito en 1887, por los físicos Michelson y Morley

 

 

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Comentarios: 18
  • #1

    canaldeciencias (miércoles, 15 mayo 2013 01:40)

    Creo que los puristas me van a excomulgar por usar este lenguaje tan fantasioso y paleto... pero, a que se entiende mejor ahora?

  • #2

    asdasdasdfasd (martes, 25 marzo 2014 01:35)

    no entiendo donde dice que aumenta su masa infinitamente al perder rendimiento en velocidad

  • #3

    noseasd (martes, 25 marzo 2014 02:23)

    Creo que estoy entendiando, gracias ^^. Pero, en el mundo, osea, en el espacio donde estamos, cual es la ''nada'' que nos detiene al intentar superar la velocidad de la luz?

  • #4

    canaldeciencias (martes, 25 marzo 2014 02:54)

    asdasdas, si entendemos como " masa real" de un objeto, como la "cantidad de materia" que posee, en realidad, ésta no aumenta con la velocidad. Es decir, una piedra moviéndose, sigue teniendo el mismo número de átomos en su interior. Pero sí aumenta la "masa inercial", que es la "fuerza" con la que el objeto se resiste al cambio de movimientos. En realidad, ambas masas son la misma, pero a veces interesa entenderlas como distintos fenómenos. Si la masa inercial es la fuerza con la que un objeto se resiste a los cambios de aceleración, entonces, al tratar de acelerarlo hasta la velocidad de la luz, su resistencia es infinita (no quiere moverse tan rápido)

  • #5

    canaldeciencias (martes, 25 marzo 2014 03:03)

    noseasd, debes entender el ejemplo de "los pasillos", sólo como una metáfora... un truquillo para entender cómo es posible que exista en el universo una velocidad insuperable. Por tanto, no existe en realidad una "puerta" que obligue a los objetos a detenerse. Y si existiera, la ciencia aún no ha llegado a descubrirlo. Por ejemplo, antes del big bang, toda la materia, masa, energía, espacio y tiempo del universo, estaba "encerrada" o "contenida" en una burbuja de espacio más pequeña que un átomo. ¿Por qué tanta energía no podía expandirse fuera de esa burbuja? ¿Qué impedía a la energía que saliera de su confinamiento?. Probablemente, lo que pasaba es que fuera de esa burbuja, el espacio no existía, y por tanto, nada podía ocuparlo... cuando en una determinada zona del universo, no existe espacio, la materia no puede moverse por él: dará vueltas sobre sí mismo, vagará por otras zonas, o incluso saltará de un punto anterior a uno posterior, pero nunca podrá invadir un lugar donde no haya espacio. Tal vez en el big bang, todo estaba contenido en una burbuja minúscula, porque el espacio aún no había salido de ella, y cuando lo hizo, una vez que el "espacio" salió de su confinamiento, fue cuando el resto de las "cosas" (materia, energía, etc...) pudieron expandirse.
    Pero eso ya es "filosofar". En realidad, no tengo ni idea... lo siento

  • #6

    noseasd (martes, 25 marzo 2014 18:49)

    gracias ^^

  • #7

    Javier (jueves, 20 agosto 2015 10:14)

    Creo que sería conveniente aclarar que la Relat es una TEORÍA creada a partir de unos AXIOMAS (indemostrables) que una vez aceptados, conllevan una serie de CONCLUSIONES Y PREDICCIONES (éstas si sometidas a un proceso de verificación lógica por caulquiera que quiera hacerlo). La Teoría de la Relatividad se acepta porque no se ha encontrado aun discrepancia alguna con las mediciones registradas en ningún experimento planetario o extraplanetario a día de hoy.
    Pero no podemos olvidar que hay que aceptar su principal axioma, piedra angular de la teoría: que la velocidad de la luz medida en cualquier sistema es siempre la misma. Todo lo demás se deduce a partir de ello.

  • #8

    Javier (jueves, 20 agosto 2015 10:58)

    Lo anterior lo digo porque la dilatación temporal (relativa, no absoluta) el acortamiento de longitudes y el límite superior a la velocidad de los objetos y el incremento de masa inercial relativa, son todo CONSECUENCIAS del axioma de constancia de la velocidad de la luz para todos los sistemas inerciales.
    Recordar cómo, a grandes rasgos y con el espíritu didáctico que inspira esta Web, llegó Einstein a semejantes reflexiones:
    A-La Teoría Mecánica clásica decía que cualquier cosa lanzada o emitida desde un sistema en movimiento, sumaba las velocidades vectorialmente (pensemos en una bala lanzada desde un tren en sentido).
    B-La teoría Electromagnética de Maxwell dictaminaba que la velocidad "c" de la velocidad de la luz era una cte que no dependía de nada más en ningún sistema inercial.

    Este entonces desconocido profesor de mínima categoría, subempleado en una oficina de patentes, dijo: aceptemos que la teoría de maxwell es cierta y la velocidad de la luz siempre parecerá ser la misma para cualquier observador inercial, y sin dar NADA MÁS por sentado, comencemos a deducir cositas con tranquilidad (por eso su artículo se llamó “Sobre la Electrodinámica de los Cuerpos en movimiento” y no de otra forma).
    1-Dado que una velocidad es Espacio/Tiempo y cuando 2 sistemas se mueven uno en relación a otro las mediciones de espacio son diferentes, para que se mantenga la relación "c", el tiempo debe hacer lo propio para compensar lo anterior-->El tiempo discurre a ritmo diferente en unos sistemas RESPECTO a otros (no caigamos en la trampa de pensar que esto es absoluto sino exclusivamente relativo). Hace los calculitos y le sale la fórmula que aquí Canal de Ciencias expone con tanta capacidad expresiva (Las transformadas de Lorentz justamente enunciadas poco antes por otra vía no tan revolucionaria).
    2-Si siempre mido “c” es de cajón que no puedo ir más rápido que c. Si hay un límite a mi velocidad independientemente de cuánto logre yo empujarme --> mi masa (relación entre la aceleración que experimento y la fuerza que necesito para ello) debe aumentar gradualmente haciendo necesario cada vez más esfuerzo para lograr incrementar 1 m/s adicional a la velocidad anterior. Si se hace el calculito poniendo la asíntota en c, sale la famosa “mc2” en un par de folios como el único termino que no depende de la velocidad considerado por tanto la Energía en estado de reposo que encierra la materia. Colosal.

    Inciso: Esa fórmula que la gran masa cultural relaciona directamente con la bomba nuclear, se calculó basándose en criterios estrictamente mecánicos de Energía cinética y no en asuntos nucleares ni cosas así. Einstein no participó en absoluto en el desarrollo de la bomba atómica (ya que era sospechoso y fue investigado por sus ideas comunistas y no les pareció idóneo a los impulsores del Proyecto involucrar a un pacifista humanista con tufillo a comunista en ello) por mucho que los americanos traten de echarle la culpa “al alemán” que al fin y al cabo no era “de los suyos”.

    Y así, como un bulldozer, continuó sacando conclusiones una tras otra hasta demoler los cimientos de la Física clásica que se conocía hasta entonces, alumbrando una teoría que a día de hoy no se le ha podido encontrar un solo resquicio de disonancia comprobada con los experimentos. Einstein dio a la Humanidad una lección del poder de la mente humana como nadie más a logrado hacer en la Historia. Puede que sea con el pasar de los siglos o milenios uno de los personajes más influyente de la Historia junto con Jesucristo, Mahoma, ... (aunque en el caso de Einstein habría pruebas irrefutables de sus existencia). Es evidente que le admiro “un poquito” por si alguien no se había dado cuenta.

  • #9

    Adrián (miércoles, 20 enero 2016 23:01)

    Ok, entiendo entonces que si hubiera algún tipo de partícula que pudiera "atravesar" de algún modo esas "puertas" que frenan a los fotones, esa velocidad se podría superar. ¿Cierto? ¿En ese caso a esas partículas les afectarían las leyes relativistas?

  • #10

    canal de ciencias (miércoles, 20 enero 2016 23:57)

    No, no, Adrián. Lo de las puertas sólo es una alegoría. Ni existen, ni tienen ninguna realidad. Tan sólo era un ejemplo

  • #11

    Adrián (viernes, 22 enero 2016 14:05)

    Ya, sé que es una alegoría, lo que quería decir es si realmente existe ese espacio vacío o como se quiera llamar que hace frenar a la luz para que así no pueda nunca superar los 300.000 km/s? ¿O es solo una teoría más? Porque desde luego tiene sentido.

  • #12

    CANAL DE CIENCIAS (viernes, 22 enero 2016 17:05)

    Ese espacio vacío no existe... o mejor dicho, es imposible comprobar si existe, ya que no hay ningún artilugio humano que detecte espacios inexistentes.

  • #13

    Adrián (sábado, 23 enero 2016 11:47)

    Ok, pero podría ser una teoría entonces.

    Entiendo que lo que quieres dar a entender es que si la composición del espacio tiene unas reglas,que aún no conocemos del todo, la luz se tiene que ceñir a esas reglas. osea que por la composición del espacio tiempo no se puede superar la velocidad de la luz. Eso sí, podríamos en un furfuturo cambiar esas reglas?

  • #14

    canal de ciencias (domingo, 24 enero 2016 00:54)

    Dudo que se puedan cambiar esas reglas. como mucho, se pueden aprender cosas nuevas que superen los límites de la ciencia actual

  • #15

    Dmauricio (miércoles, 27 abril 2016 13:46)

    Muchas gracias por intentar acercar estas teorias a los que no somos fisicos, viendo el experimento de Michelson y Morley me parece que era imposible demostrar que la Luz se mueve a la misma velocidad en el espacio, ya que el experimento esta hecho en la tierra y seria igual que intentar ver el efecto de la velocidad de un tren sobre un objeto que que se mueve dentro de ese mismo tren, para hacer una sumatoria de velocidades habria que observarlo desde fuera del tren, en nuestro caso habria tener una referencia exterior, como se explica la conclusion a la que llegaron?

  • #16

    canal de ciencias (martes, 03 mayo 2016 17:14)

    Hola, Dmauricio. Perdona por tardar en responder
    El experimento de MM estaba bien planificado por lo siguiente: Las mediciones de la velocidad se hicieron en varias direcciones, fundamentalmente en dos: una, en el sentido de la trayectoria de la tierra (digamos, hacia adelante), y otra en perpendicular a la anterior (digamos, hacia el sol). Resulta que la tierra se mueve hacia adelante a más de 100.000 km/h, pero hacia el sol, su velocidad de desplazamiento es casi nula. Lo esperable era que, si la luz se mueve a 300.000 km/s, su velocidad en el sentido de la trayectoria debería ser igual a la suma de "c", más la velocidad de la tierra al desplazarse... y por otra parte, el rayo dirigido hacia el sol sólo debería moverse a "c", ya que en ese sentido, la tierra tiene una velocidad casi cero. Para sorpresa de todos, fuera cual fuera la dirección del rayo de luz, su velocidad siempre era "c", independientemente de si la tierra se movía muy rápido o muy despacio
    Un saludo

  • #17

    David (jueves, 25 agosto 2016 18:25)

    Solo quiero dar las gracias a todos por estos aportes, tanto a cientoficos como personas como yo que solo tenemos curiosidades y plantean preguntas que sin duda para los entendidos resultan quizas absurdas, pero para mi, ayudan a conocer y entender estas teorias en ocasiones muy complicadas de asimilar sin comocimientos profundos.
    Mil Gracias.

  • #18

    canal de ciencias (viernes, 26 agosto 2016 10:26)

    Gracias a ti, David