Efectos relativistas y otras cuestiones

Masa-Energía-Materia-Luz: Todo la misma cosa

¡El Universo!

No quiero terminar sin dejar un apunte que sea un… Preludio a la relatividad

-Las ecuaciones de Lorentz-titzgerald-

En 1.893, el físico irlandés George Francis FitzGerald emitió una hipótesis para explicar los resultados negativos del experimento conocido de Michelson-Morley.  Adujo que toda materia se contrae en la dirección del movimiento, y que esa contracción es directamente proporcional al ritmo (velocidad) del movimiento.

Según tal interpretación, el interferómetro se quedaba corto en la dirección del “verdadero” movimiento terrestre, y lo hacía precisamente en una cantidad que compensaba con toda exactitud la diferencia de distancias que debería recorrer el rayo luminoso.  Por añadidura, todos los aparatos medidores imaginables, incluyendo los órganos sensoriales humanos, experimentarían ese mismo fenómeno.

Parecía como si la explicación de FitzGerald insinuara que la Naturaleza conspiraba con objeto de impedir que el hombre midiera el movimiento absoluto, para lo cual introducía un efecto que anulaba cualquier diferencia aprovechable para detectar dicho movimiento.

Este asombroso fenómeno recibió el nombre de “contracción de Fitz Gerald”, y su autor formuló una ecuación para el mismo que, referido a la contracción de un cuerpo móvil, fue predicha igualmente, y de manera independiente, por H.A.Lorentz (1853-1928) de manera que, finalmente, se quedaron unidas como “Contracción de Lorentz-Fitz Gerald.

A la contracción, Einstein, le dio un marco teórico en la teoría especial de la relatividad. En esta teoría, un objeto de longitud l₀ en reposo en un sistema de referencia parecerá, para un observador en otro sistema de referencia que se mueve con velocidad relativa v con respecto al primero, tener longitud l₀, donde c es la velocidad de la luz.

La hipótesis original atribuía esta contracción a una contracción real que acompaña al movimiento absoluto del cuerpo. La contracción es en cualquier caso despreciable a no ser que v sea del mismo orden o cercana a c.

Un objeto que se moviera a 11 km/s (la velocidad de escape de nuestro planeta) experimentaría sólo una contracción equivalente a 2 partes por cada 1.000 millones en el sentido del vuelo. Pero a velocidades realmente elevadas, tal contracción sería sustancial. A unos 150.000 km/seg. (la mitad de la velocidad de la luz, c), sería del 15%; a 262.000 km/seg. (7/8 de la velocidad de la luz), del 50% Es decir, que una regla de 30 cm. que pasara ante nuestra vista a 262.000 km (seg., nos parecería que mide sólo 15’54 cm…, siempre y cuando conociéramos alguna manera para medir su longitud en pleno vuelo. Y a la velocidad de la luz, es decir, 300.000 km/seg., en números redondos, su longitud, en la dirección del movimiento, sería cero.  Puesto que, presuntamente, no puede existir ninguna longitud inferior a cero, se deduce que la velocidad de la luz en el vacío es la mayor que puede imaginarse en el Universo. (Pero ¿existir también?).

El físico holandés Hendrik Antón Lorentz, como hemos dicho, promovió ésta idea pensando en los rayos catódicos (que ocupaban su actividad por aquellas fechas), se hizo el siguiente razonamiento: si se comprimiera la carga de una partícula para reducir su volumen, aumentaría su masa.  Por consiguiente, una partícula voladora, escorzada en la dirección de su desplazamiento por la contracción de Fitz Gerald, debería crecer en términos de masa.

Lorentz presentó una ecuación sobre el acrecentamiento de la masa, que resultó muy similar a la ecuación FitzGerald sobre el acortamiento. A 149.637 kilómetros por segundo, la masa de un electrón aumentaría en un 15%; a 262.000 km/seg., en un 100% (es decir, la masa se duplicaría); y a la velocidad de la luz, su masa sería infinita.  Una vez más pareció que no podría haber ninguna velocidad superior a la de la luz, pues, ¿cómo podría ser una masa mayor que infinita?

El efecto FitzGerald sobre longitudes y el efecto Lorentz sobre masas mantuvieron una conexión tan estrecha que aparecieron a menudo agrupadas como las “ecuaciones Lorentz-FitzGerald.”

Mientras que la contracción FitzGerald no podía ser objeto de mediciones, el efecto Lorentz sobre masas si podía serlo…, aunque indirectamente. De hecho, el muón, tomó 10 veces su masa original cuando fue lanzado, a velocidades relativistas, en el acelerador de partículas, lo que confirmó la ecuación de Lorentz.

Los experimentos posteriores, han confirmado las ecuaciones de ambos: a velocidades relativistas, las longitudes se contraen y las masas se incrementan.

Como es conocido por todos, Einstein adoptó estos descubrimientos y los incorporó a su teoría de la relatividad especial que, aunque mucho más amplia, recoge la contracción de FitzGerald y el aumento de la masa de Lorentz cuando se alcanzan grandes velocidades.

¡Qué cosas!

Algunas veces pienso que, los artistas en general, y los poetas en particular, tendrían que adaptar e incluir a sus esquemas artísticos y poéticos, los adelantos científicos, para asimilarlos en las diversas expresiones y sentimientos que serán después puestos al servicio del consumo humano.

Estos adelantos científicos serían así coloreados con las pasiones humanas y transformadas, de alguna forma, en la sangre, y por qué no, los sentimientos de la naturaleza humana.

Posiblemente, de haberlo hecho así, el grado general de conocimiento sería mayor.

Sólo uno de cada tres puede definir una molécula o nombrar a un solo científico vivo.  De veinticinco licenciados escogidos al azar en la ceremonia de graduación en Harvard, sólo dos pudieron explicar por qué hace más calor en verano que en invierno.  La respuesta, dicho sea de paso, no es “porque el Sol está más cerca.” No está más cerca. El eje de rotación de la Tierra está inclinado, así que cuando el hemisferio norte se inclina hacia el Sol, los rayos son más perpendiculares a la superficie, y la mitad del globo disfruta del verano. Al otro hemisferio llegan rayos oblicuos: es invierno.

Es triste ver como aquellos graduados de Harvard podían ser tan ignorantes. ¡Aquí los tenemos con faltas de ortografía!

Por supuesto, hay momentos brillantes en los que la gente se sorprende. Hace años, en una línea de metro de Manhattan, un hombre mayor se las veía y deseaba con un problema de cálculo elemental de su libro de texto de la escuela nocturna; no hacía más que resoplar. Se volvió desesperado hacia el extraño que tenía a su lado, sentado junto a él, y le preguntó si sabía cálculo. El extraño afirmó con la cabeza y se puso a resolverle al hombre el problema. Claro que no todos los días un anciano estudia cálculo en el metro al lado del físico teórico ganador del Nóbel T.D.Lee.

Leon Lederman, cuenta una anécdota parecida en el tren, pero con final diferente. Salía de Chicago en un tren de cercanías cuando una enfermera subió a el a la cabeza de un grupo de pacientes de un Hospital psiquiátrico Local. Se colocaron a su alrededor y la enfermera se puso a contarlos: “Uno, dos, tres…” Se quedó mirando a Lederman y preguntó: “¿Quién es usted?”

“Soy León Lederman -respondió-, ganador del premio Nóbel y director del Fermilab.”

Lo señaló, y siguió tristemente: “Sí, cuatro, cinco, seis…”

Son cosas que ocurren a los humanos. ¡Tan insignificantes y tan grandes!

Somos capaces de lo mejor y de lo peor.

Ahí tenemos la Historia para ver los ejemplos de ello.

Pero, ahora más en serio, es necesario preocuparse por la incultura científica reinante, entre otras muchas razones porque la ciencia, la técnica y el bienestar público están cada día más conectados.   Y, además, es una verdadera pena perderse la concepción del mundo que, en parte, he plasmado en estas páginas. Aunque parezca incompleta, se puede vislumbrar que posee grandiosidad y belleza, y va asomándose ya su simplicidad.

El proceso de la ciencia es el descubrimiento a cada paso de un nuevo orden que dé unidad a lo que desde hacía tiempo parecía desunido.

Es lo que hizo Faraday cuando cerró el vínculo que unió la electricidad y el magnetismo.

Es lo que hizo Clerk Maxwell cuando unió aquélla y éste con la luz.

Einstein unió el tiempo al espacio, la masa a la energía y relacionó las grandes masas cosmológicas con la curvatura y la distorsión del tiempo y del espacio para traernos la Gravedad en una teoría moderna; y dedicó los últimos años de su vida al intento de añadir a estas similitudes otra nueva y más avanzada, que instaurara un orden nuevo e imaginativo entre las ecuaciones de Maxwell y su propia geometría de la Gravitación.

Cuando Coleridge intentaba definir la belleza, volvía siempre a un pensamiento profundo: la belleza, decía, es “la unidad de la variedad.”

La ciencia no es otra cosa que la empresa de descubrir la unidad en la variedad desaforada de la naturaleza, o, más exactamente, en la variedad de nuestra experiencia que está limitada por nuestra ignorancia.

Hay muchas cosas que no podemos controlar, sin embargo, algo dentro de nosotros, nos envía mensajes sobre lo que podría ser importante para que nos fijemos mejor y continuemos profundizando.

Para comprender mejor el panorama, hagamos una excursión hasta la astrofísica; hay que explicar por qué la física de partículas y la astrofísica se han fundido no hace muchos años, en un nivel nuevo de intimidad, al que alguien llamó la conexión espacio interior/espacio exterior.

Mientras los expertos del espacio interior construían aceleradores-microscopios cada vez más potentes para ver que pasaba en el dominio subnuclear, los colegas del espacio exterior sintetizaban los datos que tomaban unos telescopios cada vez más potentes, equipados con nuevas técnicas cuyo objeto era aumentar su sensibilidad y la capacidad de ver detalles finos. Otro gran avance fueron los observatorios establecidos en el espacio, con sus instrumentos para detectar infrarrojos, ultravioletas, rayos x y rayos gamma; en pocas palabras, toda la extensión del espectro electromagnético, muy buena parte del cual era bloqueado por nuestra atmósfera opaca y distorsionadota.

La síntesis de la cosmología de los últimos cien años es el “modelo cosmológico estándar.”  Sostiene que el Universo empezó en forma de un estado caliente, denso, compacto hace unos 15.000 millones de años. El Universo era entonces infinitamente, o casi infinitamente, denso, infinitamente, o casi infinitamente, caliente. La descripción “infinito” es incómoda para los físicos; los modificadores son el resultado de la influencia difuminadota de la teoría cuántica. Por razones que quizá no conozcamos nunca, el Universo estalló, y desde entonces ha estado expandiéndose y enfriándose.

Ahora bien, ¿cómo se han enterado de eso los cosmólogos? El modelo de la Gran Explosión (big bang) nació en los años treinta tras el descubrimiento de que las Galaxias (conjuntos de 100.000 millones de estrellas más o menos) se estaban separando entre sí, descubrimiento hecho por Edwin Hubble, que andaba midiendo sus velocidades en 1.929.

emilio silvera

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