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Relatividad especial

La relatividad especial (Einstein, 1905) se apoya en dos postulados: las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales, y la velocidad de la luz en el vacío, c ≈ 3.00 × 10⁸ m/s, es la misma para todos los observadores. De ahí se deduce que los relojes en movimiento van más lentos (t = γt₀), que los objetos en movimiento son más cortos en la dirección de su movimiento (L = L₀/γ) y que la masa es una forma de energía (E = mc²), con γ = 1/√(1 − v²/c²). A velocidades de todos los días γ ≈ 1, así que la mecánica de Newton funciona; cerca de c deja de funcionar.

🎬 Historia paso a paso

  1. Este es un reloj de luz: un destello de luz rebota entre dos espejos. Un viaje de ida y vuelta es un tic.
  2. La luz siempre viaja a c = 3 × 10⁸ m/s para cualquier observador, por rápido que se mueva. Nadie puede alcanzarla.
  3. Ahora el reloj se mueve. Desde el suelo, la luz sigue un camino inclinado y más largo. Misma velocidad, camino más largo, así que cada tic dura más: dilatación del tiempo.
  4. Una nave muy rápida se ve más corta en la dirección de su movimiento, vista desde el suelo: contracción de la longitud. Su altura no cambia.
  5. La masa guarda energía: E = mc². Como c² es enorme, una masa diminuta contiene muchísima energía.
  6. Juego libre: mueve el control v/c. Observa γ, el tic y la longitud de la nave. Prueba 0.1c, 0.6c y 0.99c.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Por qué usar luz para hacer un reloj?

La velocidad de la luz es lo único en lo que todos los observadores coinciden, así que un reloj de luz permite comparar los tiempos de forma justa.

Si corro hacia el haz de una linterna, ¿no se verá más lento?

No. Los experimentos siempre miden c, vayas a la velocidad que vayas. Ese es el segundo postulado.

¿El tiempo realmente va más lento, o solo lo parece?

Es real: relojes atómicos llevados en aviones y los relojes del GPS muestran la diferencia medida.

¿El piloto se siente aplastado?

No. En el propio sistema del piloto todo es normal. Solo un observador que ve la nave moverse la mide más corta.

¿Por qué nada con masa puede alcanzar c?

Su energía E = γmc² necesitaría γ → ∞, es decir, energía infinita. Lleva el control a 0.99c y mira cómo se dispara γ.

¿Dónde aparece E = mc² en la vida real?

En el Sol y en las centrales nucleares, una pequeña pérdida de masa se libera como muchísima energía.

Límites de la mecánica de Newton y el experimento de Michelson–Morley

La mecánica de Newton supone que el tiempo y la longitud son iguales para todos, y que las velocidades simplemente se suman. Eso funciona para coches y planetas, pero la luz rompió la regla.

Los científicos pensaban que la luz viajaba por un «éter» invisible. Si la Tierra se movía a través de él, la luz debería ir más rápido en un sentido que en otro. En 1887, Michelson y Morley dividieron un haz de luz en dos caminos perpendiculares y los volvieron a unir para buscar un cambio en las franjas de interferencia al girar el aparato. No encontraron ningún cambio. La velocidad de la luz no dependía del movimiento de la Tierra. No había éter que detectar.

Los dos postulados de Einstein

  1. Principio de relatividad: las leyes de la física son las mismas en todo sistema inercial (un sistema que se mueve con velocidad constante). Ningún experimento puede decirte si te mueves «de verdad».
  2. Constancia de c: la luz en el vacío viaja a c ≈ 3.00 × 10⁸ m/s para todos los observadores, sea cual sea el movimiento de la fuente o del observador.

Si c es fija, entonces el tiempo y el espacio deben ajustarse. El factor que dice cuánto es el factor de Lorentz γ = 1/√(1 − v²/c²).

Dilatación del tiempo

En el reloj de luz, los espejos están a una distancia L. En reposo, un viaje dura t₀ = 2L/c. Este es el tiempo propio: el tiempo medido por un reloj que está en reposo respecto al suceso.

Visto desde el suelo, la luz del reloj en movimiento sigue un camino inclinado. Con Pitágoras, (ct/2)² = L² + (vt/2)², lo que da t = γ t₀. Un reloj en movimiento va más lento.

Prueba: los muones viven unos 2.2 μs en reposo. Incluso a 0.99c recorrerían solo unos 650 m, pero muchos llegan al suelo desde 10 km de altura, porque su vida se dilata por γ ≈ 7.

Contracción de la longitud

La longitud propia L₀ la mide alguien que está en reposo respecto al objeto. Un observador que lo ve moverse a velocidad v mide L = L₀ / γ, más corta solo en la dirección del movimiento. Desde el punto de vista del muón, los 10 km de aire se contraen a unos 1.4 km, así que los cruza en su corta vida. Los dos puntos de vista coinciden en lo que ocurre.

Masa y energía: E = mc²

La masa es una forma de energía. La energía en reposo de una masa m es E₀ = mc². La energía total de una partícula en movimiento es E = γmc², y su energía cinética es (γ − 1)mc². Cuando v → c, γ → ∞, así que haría falta una energía infinita: nada con masa puede alcanzar c.

En el Sol y en los reactores nucleares, una pequeña pérdida de masa se convierte en mucha energía. Unidades: en física de partículas las energías se dan a menudo en MeV (1 eV = 1.60 × 10⁻¹⁹ J).

Más allá: una mirada a la relatividad general

La relatividad especial trata de sistemas que se mueven con velocidad constante. La relatividad general de Einstein (1915) añade la gravedad: la masa curva el espacio-tiempo, así que la luz se desvía cerca del Sol y los relojes van más lentos donde la gravedad es más fuerte. El GPS debe corregir ambos efectos.

Pruébalo: en el control, busca la velocidad en la que γ = 2. (Respuesta: v ≈ 0.87c.) Luego compruébalo con la fórmula.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Calcula γ para v = 0.6c.

v²/c² = 0.36; 1 − 0.36 = 0.64; √0.64 = 0.8; γ = 1/0.8 = 1.25.

2. Una nave se mueve a 0.8c. Un reloj a bordo marca 1.0 s. ¿Cuánto dura ese tic visto desde la Tierra?

γ = 1/√(1 − 0.64) = 1/0.6 = 1.67. t = γt₀ = 1.67 × 1.0 = 1.67 s.

3. Una barra mide 5.0 m en reposo. ¿Cuánto mide si se mueve a 0.8c a lo largo de su longitud?

γ = 1.67. L = L₀/γ = 5.0 / 1.667 = 3.0 m.

4. ¿Cuánta energía hay en 1.0 g de masa?

E = mc² = 0.001 × (3.0 × 10⁸)² = 0.001 × 9.0 × 10¹⁶ = 9.0 × 10¹³ J.

5. Los muones tienen una vida propia de 2.2 μs y se mueven a 0.995c. ¿Qué distancia recorren en una vida, vista desde el suelo?

γ = 1/√(1 − 0.990) = 1/√0.00998 ≈ 10.0. Vida dilatada = 22 μs. Distancia = 0.995 × 3.0 × 10⁸ × 22 × 10⁻⁶ ≈ 6.6 km (frente a solo 0.66 km sin relatividad).

6. Un electrón (m = 9.11 × 10⁻³¹ kg) se mueve con γ = 3. Calcula su energía cinética.

Eₖ = (γ − 1)mc² = 2 × 9.11 × 10⁻³¹ × 9.0 × 10¹⁶ = 1.64 × 10⁻¹³ J (unos 1.02 MeV).

Errores comunes

Test de práctica

1. La velocidad de la luz en el vacío es:
2. Para v = 0.6c, γ vale:
3. Un reloj en movimiento, visto desde el suelo:
4. El experimento de Michelson–Morley encontró:
5. E = mc² significa:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la relatividad especial en palabras sencillas?

La velocidad de la luz es la misma para todos, así que el tiempo y la longitud tienen que cambiar para los objetos muy rápidos: los relojes en movimiento van más lentos y los objetos en movimiento se acortan.

¿Qué es el factor de Lorentz?

γ = 1/√(1 − v²/c²). Indica cuánto se estira el tiempo y cuánto se encoge la longitud a velocidad v. Vale 1 en reposo y crece sin límite cuando v se acerca a c.

¿Por qué fue importante el resultado de Michelson–Morley?

No encontró ningún cambio en la velocidad de la luz por el movimiento de la Tierra, lo que mostró que no hay éter y apoyó el postulado de Einstein de que c es constante.

Dónde se estudia

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
NetherlandsVWO 5Optional subdomains (choose two)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVRelativity and nuclear physics
RomaniaClasa a XII-aSpecial relativity
RomaniaClasa a XII-aSpecial relativity
Spain2º BachilleratoRelativistic, quantum, nuclear and particle physics
Ukraine10 класSpecial relativity
Ukraine10 класElements of special relativity
England (GCSE, A level)Year 133.12 Turning points in physics
South Korea고등학교 2학년Light and matter
South Korea고등학교 3학년Mechanics and energy
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Independent work on physics topics
Russia11 классSpecial relativity
Russia11 классSpecial relativity
China高一Compulsory 2 Ch.7 Gravitation and spaceflight
China高三Elective 3: Frontiers

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