¿Cómo sabes lo que acaba de suceder a millones de años luz de distancia?

Espacio y Tiempo

Nuestras ideas actuales sobre el movimiento de los objetos provienen de Galileo y Newton. Antes de ellos, la gente creía en Aristóteles, quien decía que el estado natural de los objetos es estar en reposo y moverse sólo cuando actúa sobre ellos una fuerza o un impacto. Por tanto, un objeto más pesado cae más rápido que un objeto más ligero porque es atraído hacia la Tierra por una fuerza mayor.

La visión tradicional de Aristóteles también cree que las personas pueden usar el pensamiento puro para descubrir las leyes que gobiernan el universo: no hay necesidad de usar la observación para probar. Por lo tanto, Galileo fue el primero en querer ver si objetos de diferentes pesos realmente caían a diferentes velocidades. Se dice que Galileo demostró que las creencias de Aristóteles eran erróneas al arrojar un peso desde la Torre Inclinada de Pisa. Es casi imposible que esta historia sea cierta, pero Galileo hizo algo equivalente: hacer rodar bolas de diferentes pesos por una pendiente suave. Esta situación es similar a la de un objeto pesado que cae verticalmente, pero es más fácil de observar debido a la menor velocidad. Las mediciones de Galileo indicaron que no importa cuánto pese un objeto, su velocidad aumenta al mismo ritmo. Por ejemplo, si sueltas una pelota en una pendiente que cae 1 metro cada 10 metros horizontalmente, la velocidad de la pelota después de 1 segundo será de 1 metro por segundo, y después de 2 segundos será de 2 metros por segundo, sin importar qué tan pesada sea la pelota. la pelota es. Por supuesto, la plomada cae más rápido que la pluma, lo cual es causado por la resistencia del aire a la pluma. Si uno suelta dos objetos que no están sujetos a ninguna resistencia del aire, como dos plomadas diferentes, caerán a la misma velocidad.

Newton utilizó las medidas de Galileo como base para sus leyes del movimiento. En los experimentos de Galileo, cuando un objeto rueda cuesta abajo, siempre está sujeto a una fuerza externa constante (su peso), y su efecto es acelerar continuamente. Esto muestra que el efecto real de una fuerza es siempre cambiar la velocidad de un objeto, no sólo hacer que se mueva como se pensaba originalmente. También significa que mientras un objeto no esté sujeto a fuerzas externas, mantendrá un movimiento lineal uniforme. Esta idea fue descrita explícitamente por primera vez por Newton en su libro de 1996 Principia Mathematica, donde se la conoce como la primera ley de Newton. Lo que le sucede a un objeto cuando se aplica una fuerza viene dado por la segunda ley de Newton: cuando un objeto se acelera o cambia de velocidad, su tasa de cambio es proporcional a la fuerza externa. (Por ejemplo, si se duplica la fuerza, la aceleración también se duplica. Cuanto mayor sea la masa (o cantidad de materia) del objeto, menor será la aceleración. La misma fuerza que actúa sobre un objeto con el doble de masa solo producirá la mitad la aceleración. Un ejemplo bien conocido lo pueden proporcionar los automóviles. Cuanto mayor es la potencia del motor, mayor es la aceleración, pero cuanto más pesado es el automóvil, menor es la aceleración para el mismo motor. Además de sus leyes del movimiento, Newton también descubrió una ley que describe la gravedad: dos objetos cualesquiera se atraen entre sí y la fuerza gravitacional es proporcional a la masa de cada objeto. se duplica, la fuerza gravitacional entre los dos objetos también se duplica. Esto es lo que se puede esperar. Debido a que el nuevo objeto A puede considerarse como dos objetos con la masa original, cada objeto atrae al objeto B con la fuerza, por lo que la fuerza resultante entre. A y B se duplican si la masa de un objeto es dos veces la original, el otro objeto tiene tres veces la masa, por lo que la fuerza gravitacional será seis veces la original. Ahora se puede entender por qué los objetos que caen siempre caen al mismo tiempo. velocidad: un objeto con el doble de peso tiene el doble de gravedad. Tire hacia abajo, pero tiene el doble de masa. Según la segunda ley de Newton, estos dos efectos se anulan, por lo que la aceleración es la misma en todos los casos. p>

La ley de gravedad de Newton también nos dice que cuanto mayor es la distancia entre los objetos, menor es la fuerza gravitacional. Según la ley de gravedad de Newton, la fuerza gravitacional de una estrella es solo la mitad que la de una estrella similar. La ley predice las órbitas de la Tierra, la Luna y otros planetas con mucha precisión. La ley establece que si la gravedad de una estrella disminuye con la distancia más rápido que esto, entonces las órbitas de los planetas ya no serían elípticas y girarían en espiral hacia la Tierra. sol si la gravedad de una estrella lejana disminuye más lentamente, la gravedad de una estrella lejana disminuiría superando a la de la tierra

La gran diferencia entre Aristóteles y Galileo-Newton es que Aristóteles creía que sí. un estado de reposo superior al que adopta cualquier objeto que no esté sujeto a fuerzas e impactos externos. En particular, creía que la Tierra es estacionaria, pero desde la perspectiva de la ley de Newton, no existe un criterio único para el estado estático. ese objeto A está estacionario y el objeto B se mueve a una velocidad constante en relación con el objeto A. También se puede decir que el objeto B está estacionario, el objeto A se está moviendo y los dos son equivalentes, por ejemplo. por un momento la rotación de la Tierra y su revolución alrededor del Sol, podemos decir que la Tierra está estacionaria, un tren viaja hacia el norte a 90 millas por hora, o el tren está estacionario, mientras que la tierra viaja hacia el sur a 90 millas por hora Si uno hace un experimento con un objeto en movimiento en un tren, por ejemplo, si juega al tenis de mesa en un tren, encontrará que, como una mesa al lado de las vías del tren, una pelota de tenis de mesa obedece las leyes de Newton. por lo que no se puede saber si el tren se está moviendo o la tierra se está moviendo.

No existe un estándar absoluto para estar parado, lo que significa que las personas no pueden decidir si los dos ocurren en momentos diferentes. ocurre en el mismo lugar en el espacio, supongamos que nuestra pelota de ping pong salta hacia arriba y hacia abajo en el tren y golpea el mismo lugar de la mesa dos veces por segundo desde la perspectiva de la persona en la vía. Mira, los dos saltos suceden. en diferentes lugares a unos metros de distancia porque el tren ha viajado esa distancia en la vía durante el tiempo entre saltos.

De esta manera, la ausencia de quietud absoluta significa que a los acontecimientos no se les puede asignar una ubicación espacial absoluta, como creía Aristóteles. El lugar del incidente y la distancia entre los incidentes son diferentes para el tren y las personas en las vías, por lo que no hay razón para pensar que la situación de una persona sea superior a la de las demás.

Newton estaba muy preocupado por no tener posición absoluta ni espacio absoluto, porque esto era inconsistente con su idea de un Dios absoluto. De hecho, se negó a aceptar la existencia del espacio absoluto, aunque estuviera implícito en sus leyes. Por esta creencia irracional, muchos lo criticaron severamente, especialmente el obispo Bekele, un filósofo que creía que todas las entidades físicas, el espacio y el tiempo eran ilusorios. Cuando la gente le contó al famoso Dr. Johnson la opinión de Bekele, él pateó una gran piedra con el dedo del pie y dijo en voz alta: "¡Así es como lo refuto!""

Tanto Aristóteles como Newton creían en el Tiempo Absoluto. En otras palabras, creen que se puede medir sin ambigüedades el tiempo entre dos eventos, y que el tiempo sigue siendo el mismo independientemente de quién lo mida. Sin embargo, lo que la mayoría de la gente considera de sentido común es que tenemos que cambiar esta idea de. ​espacio y tiempo. Si bien este obvio sentido común funciona cuando se trata de objetos que se mueven lentamente, como manzanas y planetas, falla por completo cuando se trata de objetos que se mueven a la velocidad de la luz o cerca de ella. El hecho de que la luz viaja a una velocidad finita pero muy alta fue descubierto por primera vez en 1920 por el astrónomo danés Ol Kristiansen Röhme, quien observó que las lunas de Júpiter no salían de detrás de Júpiter a intervalos iguales, a diferencia de lo que uno esperaría si las lunas orbitaran alrededor de Júpiter. A una velocidad constante, la distancia entre ellos cambia a medida que tanto la Tierra como Júpiter orbitan alrededor del Sol, señaló Romai. Cuanto más lejos estamos de Júpiter, más tarde se producen los eclipses lunares de Júpiter. Su argumento es que la luz de Júpiter tarda más. y la luna para llegar a nosotros a medida que estamos más lejos. La distancia de la Tierra no era muy precisa, por lo que su velocidad de la luz era de millas por segundo, y ahora es de millas por segundo. Sin embargo, el logro de Romay fue sobresaliente no solo en probar esa luz. se mueve a una velocidad finita, pero también en la medición de la velocidad de la luz. Ya sabes, todo esto se completó 11 años antes de que Newton publicara "Principios de Matemáticas".

Hasta 1998, el físico británico James Maxwell unificó con éxito Los términos utilizados para describir la electricidad y el magnetismo en ese momento. Algunas teorías conducen a una verdadera teoría de la propagación de la luz. Las ecuaciones de Maxwell predicen que puede haber perturbaciones de ondas en el campo electromagnético combinado que se mueven a una velocidad fija, como ondas en la superficie de. un estanque si la longitud de onda de estas ondas (dos crestas de onda) la distancia entre ellas es de 1 metro o más, que es lo que llamamos ondas de radio. Las longitudes de onda más cortas se llaman microondas (unos pocos centímetros) o infrarrojas (más largas que una). décima de centímetro). Las longitudes de onda de la luz visible se encuentran en cientos. Las longitudes de onda más cortas, entre 40.000 y 80 millonésimas de centímetro, se llaman rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Las ondas de radio o las ondas de luz deberían tener una velocidad de movimiento fija. Pero la teoría de Newton se ha alejado del concepto de reposo absoluto, por lo que si asumimos que la luz viaja a una velocidad fija, hay que averiguar cuál es esta. La velocidad se mide, por lo que se propone que incluso en un "vacío", también hay un objeto ubicuo llamado "éter". Al igual que las ondas sonoras en el aire, las ondas de luz deben atravesar el éter, por lo que la velocidad de La luz debería ser relativa al éter. En comparación con diferentes observadores del movimiento del éter, deberíamos ver que la luz incide sobre ellos a diferentes velocidades, pero la velocidad de la luz que incide sobre el éter es constante, especialmente en la dirección en la que se mueve la Tierra. se mueve a través del éter (a medida que nos acercamos a la fuente de luz) mientras la Tierra orbita alrededor del Sol a través del éter. La velocidad de la luz obtenida debe ser mayor que la velocidad de la luz medida perpendicular a la dirección del movimiento (cuando no nos estamos moviendo hacia la fuente de luz). la fuente de luz). En 1999, Albert Michelson (quien más tarde se convirtió en el primer estadounidense ganador del Premio Nobel de Física) y Edward Morley llevaron a cabo un experimento muy cuidadoso en la Escuela Cass de Ciencias Aplicadas de Cleveland. Comparan la dirección del movimiento de la Tierra con la velocidad de la luz perpendicular a esa dirección. Para su sorpresa, descubrieron que las dos velocidades de la luz eran exactamente iguales.

Entre 1998 y 1998, hubo varios intentos de explicar el experimento de Michelson-Morley. El más famoso fue el físico holandés Hendrik Roloz, quien basó su teoría en un mecanismo para la contracción de los objetos que se mueven en relación con el éter y la desaceleración de los relojes. Sin embargo, Albert Einstein, entonces un desconocido empleado de la Oficina Suiza de Patentes, argumentó en un famoso artículo de 2006 que todo el concepto de éter era redundante siempre que uno estuviera dispuesto a abandonar el concepto de tiempo absoluto. Unas semanas más tarde, Henri Poincaré, uno de los matemáticos más importantes de Francia, expresó una observación similar. El argumento de Einstein está más cerca de la física que el de Poincaré, porque este último lo consideraba un problema matemático. Esta nueva teoría suele atribuirse a Einstein, pero el nombre de Poincaré jugó un papel importante en ella.

El supuesto básico de esta teoría de la relatividad es que las leyes de la ciencia deben ser las mismas para los observadores independientemente de su velocidad. Esto ciertamente era cierto para las leyes del movimiento de Newton, pero ahora el concepto se ha ampliado para incluir la teoría de Maxwell y la velocidad de la luz: no importa qué tan rápido se mueva un observador, se debe medir la misma velocidad de la luz. Este simple concepto tiene algunas consecuencias extraordinarias.

Quizás la más famosa es la equivalencia de masa y energía, que se puede expresar usando la famosa ecuación de Einstein E = MC^2 (donde E es energía, M es masa y C es la velocidad de la luz) y la ley de que nada puede viajar. más rápido que la velocidad de la luz Express. Como la energía y la masa son iguales, la energía producida por el movimiento de un objeto debe sumarse a su masa. En otras palabras, será más difícil acelerarlo. Este efecto sólo tiene importancia práctica si el objeto se mueve cerca de la velocidad de la luz. Por ejemplo, si un objeto se mueve al 10% de velocidad, su masa solo aumenta un 0,5%, mientras que si un objeto se mueve al 90% de velocidad, su masa se convierte en más del doble de su masa normal. A medida que un objeto se acerca a la velocidad de la luz, su masa aumenta cada vez más rápido, por lo que requiere cada vez más energía para acelerar más. De hecho, nunca alcanzará la velocidad de la luz, porque en ese momento la masa se volverá infinita. Según el principio de equivalencia masa-energía, se requiere energía infinita para lograrlo. Debido a esto, la teoría de la relatividad restringe cualquier objeto normal a moverse siempre a una velocidad inferior a la de la luz. Sólo la luz u otras ondas sin masa intrínseca pueden viajar a la velocidad de la luz.

Un logro igualmente notable de la teoría de la relatividad es que cambió nuestros conceptos de espacio y tiempo. En la teoría de Newton, si se envía un pulso de luz de un lugar a otro, los diferentes observadores no estarán en desacuerdo sobre el tiempo que lleva el proceso (porque el tiempo es absoluto), pero no estarán en desacuerdo sobre las distancias de propagación de la luz. (porque el espacio no es absoluto). Dado que la velocidad de la luz es igual a la distancia dividida por el tiempo que tarda, diferentes observadores miden la velocidad de la luz de manera diferente. En la relatividad, por otro lado, todos los observadores deben estar de acuerdo sobre la velocidad a la que se mueve la luz. Sin embargo, no pudieron ponerse de acuerdo sobre qué tan lejos viaja la luz. Así que ahora no se pondrán de acuerdo sobre cuánto tiempo llevará. (En cualquier caso, el tiempo que tarda la luz en viajar es exactamente la velocidad de la luz, lo cual es consistente para todos los observadores, y es inconsistente para ellos eliminar la distancia recorrida por la luz). En resumen, la teoría de la relatividad ¡Se acabó el concepto de tiempo absoluto! De esta manera, cada observador tiene el tiempo medido por su propio reloj, y las lecturas del mismo reloj llevadas por diferentes observadores no son necesariamente consistentes.

Figura 2.1 El tiempo se mide en ordenadas y la distancia al observador en abscisas. El camino del observador a través del espacio y el tiempo está representado por la línea vertical de la izquierda. El camino de la luz que entra y sale del evento se muestra en diagonal.

Cada observador puede utilizar el radar para enviar pulsos de luz u ondas de radio para determinar cuándo y dónde ocurrió un evento. Después de que el evento refleje una parte del pulso, el observador puede medir el tiempo que le tomó recibir el eco. El tiempo del evento se puede considerar como el punto medio entre el momento en que se emite el pulso y el momento en que el pulso se refleja y se recibe. La distancia del evento se puede calcular multiplicando la mitad de este tiempo de ida y vuelta por la velocidad de la luz; . En este sentido, un evento es algo que sucede en un determinado punto del espacio y en un determinado momento del tiempo. ) Este significado ya se muestra en la Figura 2.1. Este es un ejemplo de diagrama espacio-temporal. Con este paso, a los observadores que se mueven entre sí se les pueden asignar diferentes momentos y ubicaciones para el mismo evento. Las mediciones de un observador en particular no son más precisas que las de otro, pero todas estas mediciones están relacionadas. Siempre que el observador conozca la velocidad relativa de otras personas, podrá calcular con precisión el tiempo y la posición que otras personas deberían dar al mismo evento.

Ahora usamos este método para medir distancias con precisión porque podemos medir el tiempo con mayor precisión que la longitud.

En realidad,

Un metro se define como la distancia que recorre la luz en un radio de 0,5 metros. Un segundo medido con un reloj atómico de platino (se elige este número en particular porque corresponde a la definición histórica de metro: la distancia entre dos escalas en una varilla de platino específica conservada en París). De manera similar, podemos usar una unidad de longitud más conveniente y actualizada llamada segundo luz, que se define simplemente como la distancia que recorre la luz en un segundo. Ahora, en relatividad definimos la distancia en términos de tiempo y velocidad de la luz, lo que permite a cada observador medir automáticamente la misma velocidad de la luz (definida como 1 metro cada 0,2 segundos). No es necesario introducir el concepto de éter, porque el experimento de Michelson-Morley muestra que la presencia de éter es en cualquier caso indetectable. Sin embargo, la teoría de la relatividad nos obliga a cambiar fundamentalmente nuestras ideas sobre el espacio y el tiempo. Debemos aceptar la idea de que el tiempo no puede separarse completamente del espacio, sino que debe combinarse con el espacio para formar lo que se llama espacio: el objeto del tiempo.

Nuestra experiencia habitual es que podemos utilizar tres números o coordenadas para describir la posición de un punto en el espacio. Por ejemplo, se podría decir que un punto en una habitación está a 7 pies de una pared, a 3 pies de otra pared y a 5 pies del piso. También se puede especificar un punto utilizando una determinada latitud, longitud y altitud. Se pueden seleccionar fácilmente tres coordenadas adecuadas, aunque sólo son válidas dentro de un rango limitado. La posición de la Luna no se expresa en términos de cuántas millas al norte y al oeste del Piccadilly Circus de Londres y cuántos pies sobre el nivel del mar, sino por su distancia al Sol, su distancia al plano de las órbitas de los planetas y su proximidad relativa. al sol y a estrellas cercanas como α- Centauri) para describir la posición de la luna. Incluso estas coordenadas no son muy útiles para describir la posición del Sol en nuestra galaxia, o la posición de nuestra galaxia en una galaxia local. De hecho, se puede describir el universo entero como una familia de fragmentos de coordenadas superpuestas. En cada fragmento, se pueden utilizar tres coordenadas diferentes para representar la ubicación del punto.

Figura 2.2

Los eventos son cosas que suceden en un tiempo y espacio específico.

De esta manera, se puede determinar usando cuatro números o coordenadas, y la elección del sistema de coordenadas es arbitraria, se pueden usar cualquier coordenada espacial definida y cualquier medida de tiempo arbitraria; En la teoría de la relatividad, no existe una diferencia real entre las coordenadas temporales y espaciales, del mismo modo que no existe una diferencia real entre dos coordenadas espaciales cualesquiera. Por ejemplo, se puede seleccionar un nuevo conjunto de coordenadas de modo que la primera coordenada espacial sea una combinación de las antiguas primera y segunda coordenadas espaciales. Por ejemplo, el kilometraje de un punto de la Tierra no se mide al norte y al oeste de Piccadilly Circus de Londres, sino al noreste y al noroeste. Asimismo, se puede utilizar una nueva coordenada temporal en relatividad, que es la hora anterior (en segundos) más la distancia de Piccadilly al Norte (en segundos).

Figura 2.3

A menudo resulta útil utilizar las cuatro coordenadas de un evento como medio para especificar su posición en el llamado espacio de cuatro dimensiones de espacio y tiempo. ¡Me imagino que imaginar tres dimensiones ya es bastante difícil! Sin embargo, es fácil dibujar un mapa bidimensional del espacio, como por ejemplo la superficie de la Tierra. La superficie de la Tierra es bidimensional porque la ubicación de los puntos en ella se puede determinar utilizando dos coordenadas, como la latitud y la longitud. ) Por lo general, usaría un gráfico bidimensional, donde la dirección hacia arriba es el tiempo y la dirección horizontal es una de las coordenadas espaciales. Las otras dos coordenadas espaciales no se consideran, o en ocasiones una de ellas se expresa en perspectiva. (Estos se llaman diagramas espacio-temporales, como se muestra en la Figura 2.1. Por ejemplo, en la Figura 2.2, el tiempo se mide hacia arriba en años, mientras que la distancia en línea recta desde el Sol a Alfa Centauri se mide horizontalmente en millas. Las trayectorias de el Sol y Alfa Centauri a través del espacio-tiempo están representados por las líneas verticales en los lados izquierdo y derecho del diagrama, y ​​la luz del Sol tarda cuatro años en viajar desde el Sol hasta Alfa Centauri.

Hemos visto que las ecuaciones de Maxwell predicen. que la velocidad de la luz debe ser la misma independientemente de la velocidad de la fuente de luz, y esto se ha confirmado mediante mediciones precisas, por ejemplo, si un pulso de luz proviene de un punto específico del espacio y se emite desde un punto específico. , se difunde con el tiempo en forma de una bola de luz, cuya forma y tamaño son independientes de la velocidad de la fuente. Después de una millonésima de segundo, la luz se dispersa en una esfera con un radio de metros; Millonésima de segundo después, después de dos segundos, el radio se convierte en metros; espera. Al igual que arrojar una piedra a un estanque, las ondas en la superficie del agua se extienden en forma circular, haciéndose más y más grandes. estanque y una dimensión de tiempo, los círculos de estas ondas de agua ampliadas dibujarán un cono, cuyo vértice es la ubicación y el momento en que la piedra golpea la superficie del agua (Figura 2.3). cono de luz tridimensional en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, llamado cono de luz futuro del evento. De la misma manera, se puede dibujar otro cono llamado cono de luz pasado, que representa todos los eventos que se pueden propagar al evento. con pulsos de luz (Figura 2.4

Los conos de luz pasados ​​y futuros de un evento P dividen el espacio-tiempo en tres regiones (Figura 2.5): El futuro absoluto de este evento es la región interior del. futuro cono de luz de P y es el evento que ocurrió en P Todos los eventos que pueden verse afectados, las cosas que comienzan en P no son propagables a eventos fuera del cono de luz de P, porque nada viaja más rápido que la luz, por lo que no se ven afectados por lo que sucedió en P, en el pasado El punto en la región interior del cono de luz es el pasado absoluto de P, que es el P alcanzable de todos esos eventos, que viajan a una velocidad igual o menor que la velocidad de la luz. , estos son todos los eventos que pueden afectar el evento P, si se sabe en algún momento del pasado lo que sucede en el cono de luz pasado del evento P se puede predecir lo que sucederá en el espacio P; el tiempo restante son todos los eventos excepto. El cono de luz pasado y futuro de P. Esta parte del evento no se ve afectada por P ni por P. Por ejemplo, si el sol deja de brillar en este momento, no tendrá ningún impacto en la tierra en este momento. , porque el momento de la Tierra está fuera del cono de luz del evento en que el sol se apaga (Figura 2.6. Solo podemos estar en 8 minutos. Este evento no se sabrá hasta más tarde, que es el tiempo que tarda la luz en llegar). Solo entonces los eventos en la Tierra estarán dentro del futuro cono de luz del evento de extinción del Sol. Del mismo modo, no sabremos lo que está sucediendo en el universo en este momento. Lo que está sucediendo más lejos: la luz que vemos desde lejos. Las galaxias se emitieron hace millones de años y, en el caso de los objetos más lejanos que vemos, se emitió hace 8 mil millones de años. Cuando observamos el universo, estamos observando su pasado. >Figura 2.5

Figura 2.6

Si la gente ignorara el efecto gravitacional, tal como lo hicieron Einstein y Poincar como lo hizo Lei en 1996, tendríamos una teoría llamada relatividad especial. Para cada evento en el espacio-tiempo, podemos hacer un cono de luz (todas las trayectorias posibles de luz emitida por el evento). Como la velocidad de la luz es la misma en cualquier dirección y en cualquier caso, todos los conos de luz son congruentes y miran en la misma dirección. Esta teoría nos dice que nada viaja más rápido que la luz. Esto significa que la trayectoria de cualquier objeto a través del espacio-tiempo debe representarse mediante una línea que cae dentro del cono de luz de cada evento que ocurra sobre él (Figura 2.7).

Figura 2.7

La relatividad especial ha explicado con éxito el hecho de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores (como lo demuestra el experimento de Michelson-Morley) y ha descrito con éxito la Comportamiento de un objeto que se acerca a la velocidad de la luz. Sin embargo, es incompatible con la teoría de la gravedad de Newton. La teoría de Newton decía que la atracción entre objetos depende de la distancia entre ellos.

Esto significa que si tenemos un objeto, la fuerza sobre el otro objeto cambia inmediatamente. O, en otras palabras, los efectos gravitacionales deben viajar a velocidades infinitas, no a la velocidad de la luz o por debajo de ella, como exige la relatividad especial. Einstein hizo muchos intentos fallidos entre 1998 y 1998 para encontrar una teoría de la gravedad que fuera consistente con la relatividad especial. En , finalmente propuso lo que hoy llamamos teoría general de la relatividad.

Einstein propuso la idea revolucionaria de que la gravedad no es como otros tipos de fuerzas, sino que es simplemente el resultado de un espacio-tiempo desigual. Como había planteado anteriormente, el espacio-tiempo está curvado o "retorcido" debido a la distribución de masa y energía en su interior. En lugar de moverse en una órbita curva debido a una fuerza llamada gravedad, los objetos como la Tierra siguen una trayectoria llamada geodésica, que es lo más parecido a una línea recta en el espacio curvo. Una geodésica es el camino más corto (o más largo) entre dos puntos adyacentes. Por ejemplo, la superficie de la Tierra es un espacio bidimensional curvo. Una geodésica en la Tierra se llama círculo máximo y es el camino más corto entre dos puntos (Figura 2.8). Debido a que una geodésica es la distancia más corta entre dos aeropuertos, esta es la ruta que los pilotos les dicen que vuelen. En la relatividad general, los objetos siempre caminan en línea recta en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Sin embargo, en nuestro espacio tridimensional, parece seguir una trayectoria curva (es como ver un avión volar sobre una superficie muy montañosa. Aunque vuela en línea recta en el espacio tridimensional, su sombra sigue una trayectoria curva). en el terreno bidimensional

Figura 2.8

La masa del sol provoca la curvatura del espacio y el tiempo, lo que hace que la Tierra siga un camino recto en el espacio y el tiempo de cuatro dimensiones. , pero no en el espacio tridimensional. Parece que nos movemos en círculo. De hecho, las órbitas de los planetas predichas por la relatividad general son casi exactamente las mismas que las predichas por la teoría de la gravedad de Newton. Mercurio, que es el más cercano al Sol y tiene el efecto gravitacional más fuerte, tiene una órbita bastante larga, aunque la relatividad general predice que el eje mayor de su elipse orbital orbita alrededor del Sol a un ritmo de aproximadamente 1 grado. El efecto es pequeño, se observó hace varios años y se adoptó como base de la teoría de Einstein. En los últimos años, se han medido con radar desviaciones orbitales aún más pequeñas de otros planetas y las predichas por la teoría de Newton. consistente con las predicciones de la relatividad general.

La luz también debe seguir. Geodésicas del espacio-tiempo El hecho de que el espacio sea curvado significa que la luz no parece seguir una línea recta en el espacio. , la relatividad general predice que la luz debe ser desviada por el campo gravitacional. Por ejemplo, la teoría predice que el sol se desvía debido a su masa. El cono de luz en un punto cercano se desvía ligeramente hacia adentro, lo que sugiere que la luz de la estrella distante. se curva en un pequeño ángulo cuando pasa cerca del Sol, lo que hace que la estrella parezca estar en una posición diferente para un observador en la Tierra (Figura 2.9, por supuesto, si la luz de la estrella siempre pasa muy cerca). al sol, no tenemos forma de saber si la luz se desvía o si la estrella está realmente donde la vemos mientras la Tierra orbita alrededor del sol, a medida que diferentes estrellas pasan detrás del sol, su luz se desvía, por lo que cambian su dirección. Posición aparente en relación con otras estrellas.

Figura 2.9

En general, es muy diferente. Este efecto es difícil de observar porque los rayos del sol impiden que las personas observen las estrellas que aparecen cerca de ellas. Sol en el cielo Sin embargo, se puede observar durante un eclipse solar, cuando los rayos del sol son oscurecidos por la Luna mientras estaba en curso la Segunda Guerra Mundial, y las predicciones de Einstein sobre la desviación de la luz no pudieron verificarse inmediatamente. 1998 que una expedición británica observó un eclipse solar desde África occidental y observó que la luz era efectivamente desviada por el sol como lo predecía la teoría. Esta vez, la teoría alemana fue probada por los británicos y fue aclamada como una gran reconciliación entre los dos países de la posguerra. Irónicamente, la gente examinó más tarde las fotografías tomadas por la expedición y encontró errores en sus intentos de medición. El efecto fue igualmente grande. La comunidad científica generalmente creía que sus mediciones eran pura suerte o que los resultados que pretendían eran conocidos. Sin embargo, la desviación de la luz fue confirmada con precisión por muchas observaciones posteriores. Otra predicción de la relatividad es que el tiempo parece pasar más lentamente cerca de un objeto masivo como la Tierra. Esto se debe a que la energía de la luz está relacionada con su frecuencia (el número). de veces que la luz vibra por segundo): cuanto mayor es la energía, mayor es la frecuencia. A medida que la luz viaja hacia arriba desde el campo gravitacional de la Tierra, pierde energía, por lo que su frecuencia disminuye (lo que indica que el intervalo de tiempo entre los dos picos se hace mayor). Desde la perspectiva de los de arriba, todo lo que sucede abajo parece llevar mucho más tiempo. Esta predicción fue confirmada en 2006 utilizando un par de relojes extremadamente precisos montados en la parte superior e inferior de la torre de agua. Se ha descubierto que el reloj cuyo fondo está más cerca de la Tierra funciona más lento, lo que es totalmente coherente con la teoría general de la relatividad. La velocidad de los relojes en diferentes altitudes de la Tierra es diferente, lo cual tiene una gran importancia práctica en la actualidad, porque la gente utiliza satélites para una navegación muy precisa. Si uno no supiera nada acerca de las predicciones de la relatividad general, ¡la posición calculada estaría equivocada por varios kilómetros!

Las leyes del movimiento de Newton acabaron con el concepto de posición absoluta en el espacio. La relatividad, por el contrario, elimina el tiempo absoluto. Considere un par de gemelos. Supongamos que uno de ellos se va a vivir a la cima de una montaña y el otro se queda al nivel del mar. El primero envejecerá más que el segundo. Entonces, si se volvieran a encontrar, uno sería mayor que el otro. En este caso, la diferencia de edad es pequeña.

Sin embargo, si un niño realiza un viaje largo en una nave espacial que viaja casi a la velocidad de la luz, la diferencia es mucho mayor. Cuando regrese, será mucho más joven que la otra persona que queda en la Tierra. A esto se le llama la paradoja de los gemelos. Sin embargo, esto es sólo una paradoja para aquellos que todavía tienen en mente el concepto de tiempo absoluto. No existe un tiempo absoluto único en la teoría de la relatividad. En cambio, cada uno tiene su propia escala de tiempo, dependiendo de dónde y cómo se mueve.

Hace años, se pensaba que el espacio y el tiempo eran etapas fijas de eventos que no se veían afectadas por los eventos que ocurrían dentro de ellos. Esto es cierto incluso en la relatividad especial. Cuando un objeto se mueve, las fuerzas se atraen y se repelen entre sí, pero el tiempo y el espacio se extienden sin verse afectados. Naturalmente se considera que el espacio y el tiempo se extienden infinitamente hacia adelante.

En la relatividad general, sin embargo, la situación es bastante diferente. En este momento, el espacio y el tiempo se convierten en fuerzas impulsoras: cuando un objeto se mueve o actúa una fuerza, afecta la curvatura del espacio y el tiempo, por otro lado, la estructura del espacio y el tiempo afecta la forma en que los objetos se mueven y actúan las fuerzas; No sólo se ven afectados el espacio y el tiempo, sino que también se ven afectados por todo lo que sucede en el universo. Así como es imposible hablar de eventos en el universo sin los conceptos de espacio y tiempo, no tiene sentido hablar de espacio y tiempo fuera de los límites del universo en la relatividad general.

En las próximas décadas, nuevos entendimientos del espacio y el tiempo transformarán nuestra visión del mundo. La vieja idea de un universo fundamentalmente inmutable que ha existido y seguirá existiendo indefinidamente ha sido reemplazada por la idea de que el universo se está moviendo, expandiendo y parece haber comenzado en un pasado finito y terminará en un futuro finito. Este cambio es el tema del próximo capítulo. Unos años más tarde, fue el punto de partida para estudiar física teórica. Roger Penrose y yo señalamos que la teoría de la relatividad general de Einstein infiere que el universo debe haber tenido un principio y posiblemente un final.