Teoría de la relatividad - Arely Huerta Aguilar

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Introducción 
Cuando los pilares de la física se consideraban sólidos, gracias sobre todo al desarrollo de la mecánica clásica de Newton, la aparición de una serie de fenómenos a finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX, acabaron con esta situación de estabilidad para la física y se entraría en una situación de desconcierto para la física. Entre los principales problemas a los que se enfrentaban los físicos teóricos al inicio del siglo XX, podemos destacar los siguientes (Rodríguez, 2010).: 
· La cuantización de la energía.
Surge como solución de los físicos de esa época, a la imposibilidad de explicar las cuestiones relativas a la radiación de un cuerpo negro a partir de argumentos puramente clásicos, es decir, para poder explicar de forma satisfactoria la leyes que regían la radiación de un cuerpo negro, había que introducir un concepto totalmente novedoso para los científicos de esa época que consistía en admitir que las energías estaban limitadas a un conjunto discreto de valores. 
· El carácter corpuscular de la radiación electromagnética.
Surge también para poder dar solución a una serie de fenómenos surgidos en ese siglo, que estaban fuera del alcance de la física clásica, y entre los que podemos destacar el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton. Así para poder dar explicación a estos fenómenos, se habría de nuevo un viejo debate que, en torno a la naturaleza de la radiación electromagnética había acabado dotando a ésta de una cierta naturaleza ondulatoria, y que ahora para poder explicar estos nuevos fenómenos había que devolverle a ésta una naturaleza corpuscular. 
· La naturaleza ondulatoria de la materia
Finalmente el comportamiento de algunas partículas subatómicas bajo ciertas condiciones, parecía evidenciar una cierta naturaleza ondulatoria de éstas que quedaba fuera del alcance de las leyes de la física clásica, que hasta ese momento parecían indestructibles. 
La radiación de cuerpo negro y la catástrofe ultravioleta.
La teoría de la radiación del cuerpo negro fue desarrollada con la ayuda de los métodos de la termodinámica clásica por:
· Kirchhoff (1860).
Demostró que el estado de equilibrio en el que los cambios de energía entre los cuerpos y la radiación contenidos en un recipiente mantenido a temperatura uniforme es único, y corresponde a una distribución de energías entre las diferentes frecuencias perfectamente determinada. 
Stefan y Boltzman encontraron que la densidad total de la radiación del cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Wien encontró que el espectro se traslada hacia más altas frecuencias al aumentar la temperatura
lo que se conoce con el nombre de Ley de Desplazamiento. En 1896 encontró una ley de distribución de la energía que se ajustó a los resultados experimentales. Posteriormente Lummer y Pringsheim encontraron en 1899 que la ley de Wien era sólo válida a altas frecuencias.
· Rayleigh y Jeans 
Observaron que con argumentos termodinámicos no se podía llegar más lejos y por eso basándose en las leyes del electromagnetismo de Maxwell encontraron una ley de distribución que sí concordaba a bajas frecuencias con los resultados de Lummer y Pringsheim, pero que a altas frecuencias predecía una densidad de energía infinita (catástrofe ultravioleta).
A principio de siglo se tenían dos fórmulas que, como ya hemos visto, ajustaban bien una a altas frecuencias y la otra a frecuencias próximas a cero. Había que encontrar una nueva expresión que, mediante la interpolación de estas dos, nos diera buen resultado para todo el espectro. Esta fue la labor de Planck que, mediante una hipótesis ad hoc (imaginó que la materia estaba formada por osciladores electrónicos que no podían emitir energía más que por cantidades finitas proporcionales a la frecuencia, siendo el factor de proporcionalidad la constante h -constante de Planck-), encontró la nueva ley de repartición espectral que ajustó con la experiencia y reproducía a altas frecuencias la de Wien y a bajas la de Rayleigh y Jeans .
El valor numérico de h fue obtenido desde el principio, solo con datos relativos a la radiación, con gran exactitud, como confirmarían posteriormente las experiencias de Millikan (Solbes y Sinarcas. 2009).
El efecto fotoeléctrico 
El efecto fotoeléctrico se puede entender de manera sencilla como sigue. Si iluminamos una superficie metálica con un haz luminoso de frecuencia apropiada (por ejemplo, se ilumina sodio con luz a una frecuencia de 6x1014/seg) se emiten electrones de la superficie. Esta emisión de electrones desde la superficie por la acción de la luz se denomina efecto fotoeléctrico.
Efecto Compton
Teoría de la Relatividad Espacial
A principios del siglo XX la física se encontraba en una encrucijada consecuencia de la manifiesta incompatibilidad entre las leyes de la mecánica clásica newtonianas y las del electromagnetismo, formuladas por Maxwell con sus ecuaciones. Una inconsistencia que Einstein consiguió resolver enunciando en 1905 su revolucionaria Teoría de la Relatividad Especial. Para desarrollarla partió de dos postulados o premisas básicas: 
· No existe en el universo un sistema de referencia absoluto.
· La luz viaja siempre a la misma velocidad en el espacio vacío, independientemente del movimiento de la fuente que lo emita.
Con estas dos premisas en mente imaginemos una nave espacial que pasa a toda velocidad por delante de una estación espacial. En ese momento, el piloto activa un rayo láser orientado en vertical del suelo al techo. Para el piloto el rayo sigue una trayectoria vertical pero para el astronauta que se encuentra en la estación, el haz láser describe una trayectoria inclinada y, en consecuencia, más larga. Pero si se acepta que la velocidad de la luz es constante e igual para ambos y puesto que la luz ha recorrido una distancia mayor para el revisor –y teniendo en cuenta que la velocidad se define como el cociente entre la distancia recorrida y el tiempo empleado en cubrirla (v = s/t)– entonces no queda más remedio que asumir que el tiempo ha avanzado más deprisa para el revisor. En conclusión, en el marco de la Teoría de la Relatividad Especial el tiempo es relativo y depende del sistema de referencia.
Una dependencia expresada matemáticamente por la ecuación:
Donde t´ es el tiempo medido por el reloj del piloto de la nave, que viaja a la velocidad v y t el tiempo transcurrido según el reloj del astronauta de la estación espacial, de lo que se deduce que el tiempo se dilata o transcurre más lentamente cuanta mayor sea la velocidad a la que nos desplazamos. 
Un efecto de la Relatividad similar al de la dilatación temporal es el de la contracción espacial: las longitudes se contraen en la dirección del movimiento. Así, cuando dos naves espaciales iguales se cruzan viajando con velocidades próximas a las de la luz y en sentidos opuestos, cada uno de los pilotos piensa que la otra nave es más corta que la suya. Los objetos que se mueven con velocidad uniforme respecto a un observador se acortan o contraen en la dirección del movimiento según la ecuación:
Siendo l la longitud medida por el observador y l´ la medida por el piloto. 
Todavía más contraintuitivo resulta el hecho de que en la Teoría Relatividad Espacial la masa de los objetos también es relativa, aumentando conforme mayor sea la velocidad a la que viaja con respecto a la medida cuando el objeto estaba en reposo, tal y como refleja la ecuación:
Explicar los postulados de Einstein
Un postulado es algo que no se explica o demuestra sino que se establece y a partir del mismo se deducen las consecuencias de los mismos. Si estas pueden comprobarse experimentalmente entonces los postulados serán válidos para la teoría así desarrollada. 
· 1er Postulado de Einstein: Es el que ya existía conocido como el principio de la relatividad. Todos los observadores en movimiento constante entre ellos son completamente equivalentes. Todas las leyes físicas de la naturaleza son las mismas en todos los marcos (sistemas) de referencia inerciales donde se las mida.. No hay manerade conocer el estado de movimiento de un observador a partir de ningún experimento físico que sea realizado por dicho observador dentro de su sistema de referencia, (si jugamos un partido de fútbol en un barco o en un avión en movimiento uniforme (no acelerado) es igual que si lo jugáramos en la tierra, los jugadores no patean más fuerte en la dirección del movimiento. 
· 2do Postulado de Einstein. La luz siempre se propaga en el espacio vacío con una velocidad definida c, la cual es independiente del estado de movimiento del cuerpo que emite esa luz. Este 2do postulado surge del primero por lo siguiente. Hasta el momento todos los experimentos realizados mostraban que no era posible determinar una velocidad absoluta. Si supusieramos en contra del segundo postulado que diferentes observadores con diferentes velocidades relativas, pudieran medir diferentes velocidades relativas de la luz, entonces podrían haber determinado su propia velocidad a través del éter (velocidad absoluta), pero esto estaría violando el primer postulado de Einstein. El razonamiento es algo confuso, pero el salto cualitativo de Einstein parece ser que dice que si todos los experimentos mecánicos y electromagnéticos realizados demuestran que no hay movimientos absolutos, entonces esto debe tomarse como verdadero y asumirlo como un postulado, el cual debe cumplirse siempre. Einstein llamó a estas conjeturas postulados porque reconocía que no eran requeridos por la lógica de las evidencias experimentales, sino sólo motivadas por ellas. Algo así como que Einstein exclamara: “... y si da así, será así...”.
Relatividad simultánea.
La clave del paso hacia la teoría de la relatividad especial es la aceptación de que la simultaneidad de dos sucesos es relativa. El experimento de los dos vagones en movimiento relativo, en uno de los cuales se encienden a la vez las luces de cabecera y de cola, esto demuestra que dos sucesos simultáneos en un sistema (el del vagón donde se encienden las luces) no lo son en otro sistema de referencia (el del otro vagón) que se mueva con velocidad constante respecto al primero (el tiempo deja de ser algo absoluto y el espacio también).Son estas “rarezas” del espacio y del tiempo las que explican que la velocidad de la luz parezca no cumplir la ley de aditividad de velocidades y que su valor sea el mismo independientemente del estado de movimiento del observador con respecto a la fuente emisora (c=c'). 
Mediante la comparación del tiempo empleado por la luz en recorrer un ciclo en dos relojes tipo ping-pong vistos en dos SRIs, aquél en el que el reloj está en reposo y aquél en el reloj se mueve con velocidad v respecto al observador , llegamos a la relación entre el tiempo propio(tiempo medido en ese SRI muy particular en el que el reloj está en reposo) y el tiempo medido en cualquier otro SRI: , donde es el factor de Lorentz. El tiempo propio es el más corto de todos los que se pueden medir entre dos sucesos.
EFECTOS RELATIVISTAS 
· No-contracción de longitudes en direcciones perpendiculares al movimiento relativo 
· Contracción de longitudes en la dirección del movimiento relativo 
· Efecto Doppler relativista 
Bibliografía
Rodríguez, J.M. (2010). Los límites de la Física Clásica. Revista Digital para Profesionales de la Enseñanza , 7, 1-6.
YVORRA, Eduardo. (2007). Apuntes de la Teoría de la Relatividad Especial y General, 10. 
Solbes, J. & Sinarcas , V. . (2009 ). Utilizando la historia de la ciencia en la enseñanza de los conceptos claves de la física cuántica. DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS EXPERIMENTALES Y SOCIALES, 21, 123-151.