Preguntas Frecuentes.
¿Cómo se mide el tiempo?
El cálculo del transcurso del tiempo se basa en la rotación de la Tierra sobre si misma y alrededor del Sol. La cantidad de tiempo que nuestro planeta tarda en realizar un movimiento de rotación se denomina día. Este se divide en 24 lapsos iguales llamados horas, que están formadas por 60 fracciones, o minutos. Pero la mínima fracción generalmente utilizada es el segundo; 60 de ellos equivalen a un minuto. Por otro lado, el periodo de tiempo que la Tierra demora en hacer su movimiento de traslación en torno al Sol se denomina año. El año se divide en 12 periodos, o meses, que cuentan con 30 o 31 días. En realidad, la traslación demanda 365 días, 6 horas, 9 minutos y 24 segundos. Es por ellos que cada 48 meses, en los llamados años bisiestos, se agrega un día a febrero, con lo que se consigue el error anual de un poco más de 6 horas.
Para medir el tiempo se emplean los relojes. A lo largo de la historia se fueron inventando diversos relojes, como el solar, la clepsidra-que usaba agua-, el de arena, y el digital, entre otros.
¿Qué es la aceleración de la gravedad?
Es la aceleración causada por la masa terrestre que provoca la atracción mutua entre la Tierra y los cuerpos que se encuentran sobre ella. Esta aceleración es la responsable de la caída de los cuerpos. Su valor promedio asciende a 9,8 metros sobre segundo al cuadrado, con pequeñas variaciones que dependen de la latitud terrestre.
¿Cuál es la unidad de medida de la aceleración?
La aceleración se mide en unidades de longitud sobre unidades de tiempo al cuadrado. En general, se utilizan metros sobre segundos al cuadrado (m/s2). El cálculo proviene de la unidad de velocidad, medida en metros sobre segundos, y del tiempo transcurrido, calculado en segundos.
¿Se puede viajar en el tiempo?
Sí, por su puesto, llevas viajando en el tiempo toda tu vida, en concreto, viajas a tu futuro a la velocidad de un segundo por segundo. La relatividad unifica los conceptos de tiempo y espacio y, por lo tanto, al igual que existe una velocidad que mide como te desplazas en el espacio, también existe una velocidad para el ritmo en que te mueves en el campo. Además, la velocidad temporal depende del observador, al igual que también depende la velocidad espacial. Siguiendo con la analogía, igual que uno mismo siempre ve que su velocidad espacial es nula (ya que se mira a si mismo desde un sistema de referencia solidario), la velocidad temporal que uno ve de si mismo es siempre un segundo por segundo. Por lo tanto, tan sólo podemos modificar la velocidad temporal que observamos en otros observadores: podemos cambiar la velocidad a la que viajamos hacia el futuro de los demás.
La relatividad impone ciertos límites a como cambiamos esta velocidad. Cuando observamos un cuerpo que se mueve a gran velocidad respecto a nosotros, también observamos que su tiempo avanza mucho más despacio (fenómeno conocido como dilatación temporal, ya que el tiempo que nosotros medimos entre dos sucesos cualesquiera en la vida de ese objeto es mayor que el que él mismo mide). De hecho, se puede considerar que la velocidad total es constante, y podemos repartirla como queramos en velocidad temporal y velocidad espacial, pero sin pasarnos. Por lo tanto, tenemos dos situaciones límite: cuando la velocidad es puramete temporal, y por tanto no tenemos velocidad espacial (reposo); y cuando la velocidad es puramente espacial, y por lo tanto parecería que no observamos el transcurrir el tiempo (en esta situación tan solo pueden subsistir las partículas sin masa, que viajan a la velocidad máxima, la de la luz, y de hecho no pueden sostener un observador).
En conclusión, podemos viajar hacia nuestro propio futuro tan sólo a la velocidad de un segundo por cada segundo. Sin embargo, podemos viajar a diferente velocidad (mayor) hacia el futuro de los demás simplemente moviéndonos a gran velocidad espacial respecto a ellos.
Una última cosa a tener en cuenta es que el tiempo, a diferencia del espacio, tan sólo permite el viaje en un sentido. Es decir, tan sólo podemos viajar hacia el futuro, nuestro futuro.
La presencia de gravitación complica este panorama un poco más. Sigue existiendo el concepto de velocidad total constante, pero ahora el peso de las velocidades espacial y temporal es distinto. Por lo tanto, la existencia de un campo gravitatorio puede hacer variar el ritmo al que vemos pasar el tiempo y el espacio en el movimiento de un objeto. De hecho, a afecta a ambos simultáneamente, produciendo efectos a los que no estamos acostumbrados.
En situaciones de gravedad muy intensa, es posible que el peso relativo entre las velocidades espacial y temporal sea tal que se produce un pliegue en el espacio-tiempo, que permite volver atrás en el tiempo. Es importante notar que esto es una especie de bucle global, localmente en cada punto el tiempo sigue fluyendo en la misma dirección Algo similar a dar la vuelta a la tierra, aunque caminamos siempre en la misma dirección, la curvatura nos lleva al mismo punto.
Sin embargo, la mayoría de estudios de este tipo de soluciones señalan que son muy inestables, y que por lo tanto no se pueden formar en el universo real. Es una materia que, sin duda, seguirá siendo objeto de estudio, pero por el momento la mejor respuesta que tenemos es que no, físicamente parece imposible viajar atrás en el tiempo.
Si fuera posible, involucraría procesos en campos gravitatorios muy muy fuertes, probablemente del tipo de agujeros negros, que no se podría instalar la supuesta máquina en la Tierra; su gravedad destruiría el planeta.
En definitiva, podemos viajar hacia el tiempo... pero sólo hacia el futuro. Hacia nuestro futuro personal, siempre viajamos a la misma velocidad.
¿Crece la masa con la velocidad?
Depende de que uno quiera decir por masa, no es tan fácil definirla como parece El problema es que en la mecánica de Newton, a la que estamos más acostumbrados y, por tanto, de la que proviene nuestra intuición, la masa se define como la oposición de un cuerpo a cambiar de estado de movimiento, es decir, la inercia. Según la ley de Newton, , la masa es una constante que tan sólo depende del cuerpo considerado, y se define como la constante de probabilidad entre la fuerza y la aceleración.
Sin embargo, en relatividad, la segunda ley de Newton es diferente,
Donde es una constante que sólo depende del cuerpo y no depende de nada más. Es lo que acabaremos llamando masa, pero aún no lo hemos justificado. El factor , que sólo depende de la velocidad del cuerpo, es genuinamente relativista. Tiene en cuenta, entre otras cosas, que la velocidad de la luz, c, es la máxima posible (como veis, la fuerza a la velocidad de la luz debe ser infinita). Al realizar la derivación obtenemos dos términos diferentes:
Como vemos, ahora la feurza ya no es proporcional a la aceleración. Por lo tanto, no es tan sencillo definir la masa como una constante de proporcionalidad. De hecho, ahora la inercia no sólo depende de la velocidad, sino que, además, depende de las direcciones relativas de la velocidad y la aceleración, y esto no es satisfactorio.
Como esta forma de definir la masa ya no sirve, debemos buscar alternativas. Se suelen encontrar dos modos diferentes de definir la masa en el ámbito de la relatividad especial.
El primero de ellos, quizá el más antiguo, consiste en tomarse muy en serio la famosa ecuación . Según esta interpretación, toda energía es masa. Dado que la energía depende de la velocidad según , la masa sería . En este caso, es la masa que un cuerpo tiene cuando está en reposo (es decir, la energía ńecesaria para formar el cuerpo en reposo, dividida por ).
Por supuesto, cuando la velocidad es muy baja, , recuperamos la definición newtoniana a primer orden, como debe ser. Sin embargo, este método tiene dos desventajas. En primer lugar, como tenemos la relación , masa y energía pasan a ser esencialmente conceptos sinónimos. Podríamos tirar una de las dos palabras a la basura perfectamente. Además, la masa escrita así ya no es una propiedad constante, que sólo del cuerpo. Ahora depende de la velocidad, no es un invariante. En relatividad, los invariantes son como agua de mayo, ya que facilitan los cálculos y razonamientos.
El segundo modo de definir la masa, más actual, está en tomar la ecuación de una forma un poco diferente: no es la energía total, tan sólo es la energía en reposo. Por lo tanto, la masa sería una medida de la cantidad de energía que hace falta para crear un cuerpo en reposo (para ponerlo en movimiento hace falta más energía, precisamente ). Por lo tanto, la masa no depende de la velocidad en esta segunda interpretación, ya que tan sólo consideramos la energía que tiene por el mero hecho de existir, separamos la energía cinética, T, debida al movimiento.
De nuevo la masa definida de esta forma es una propiedad que sólo depende del cuerpo (la energía necesaria para crearlo). Físicamente, decimos que la es un invariante Lorentz (una cantidad que no depende del sistema de referencia). Y los invariantes Lorentz valen su peso en oro en la física. Además, nos permite recuperar la intuición de que la masa representa la cantidad de materia que constituye el cuerpo.
Hay que tener en cuenta que la diferencia entre ambas interpretaciones es puramente léxica. Sólo depende de a qué llamamos masa y a qué no. Ambas interpretaciones son correctas, ambas permiten describir la naturaleza con el mismo éxito. Elegir una u otra depende únicamente de criterios subjetivos.
Es justo decir que cada vez más la comunidad científica adopta la segunda definición, sobre todo gracias a que permite definir la masa de una forma invariante Lorentz (si bien, es cierto que la interpretación antigua aún se encuentra en varios textos de divulgación desactualizados, e incluso en algunos pocos libros de texto).
En esta página siempre elegimos esta opción, y por lo tanto la respuesta a la pregunta es: no, la masa no crece con la velocidad. Es un invariante que sólo depende de la cantidad de energía necesaria para crear el objeto en reposo. Para ponerlo en movimiento, por supuesto, hay que proporcionar una mayor energía, pero eso ya no forma parte de la masa; forma parte de la energía cinética.