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¡La Física! Los Caminos de la Naturaleza

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en La Luz esconde muchos secretos    ~    Comentarios Comments (2)

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Conexiones sin fin que nos llevan a tener consciencia de Ser

 

El Tiempo, aunque a ciencia cierta no sabemos lo que es, sí sabemos que nos permite contar historias de hechos pasados, buscar las huellas que dejaron en nuestro mundo los cambios habidos en la Naturaleza, y, durante su inexorable transcurrir, van pasando cosas, se están produciendo cambios, y, la Entropía convierte lo nuevo en viejo, mientras que, esa otra clase de Entropía negativa, crea nuevas estrellas, nuevos mundos y nuevas criaturas.
Pero esas son otras historias y, el día de hoy hablaremos del…

¡Preludio a la relatividad! -Las ecuaciones de Lorentz-Fitzgerald- Éste último pensaba y decía cosas comos estas:

George Francis FitzGerald.jpg

          George FitzGerald

“… la telegrafía debe mucho a Euclides y otros geómetras puros, al griego y al árabe que fueron matemáticos magistrales que inventaron nuestra escala de numeración y el álgebra, de Galileo y Newton, que fundaron la dinámica, para que Newton y Leibniz inventaran el cálculo, para que Volta descubriera la galvánica bobina, a Oersted quien descubrió la acción magnética de las corrientes, que a Ampère descubriera las leyes de su acción, a Ohm que descubrió la ley de la resistencia de los cables, a Wheatstone, de Faraday, a Lord Kelvin, a Clerk Maxwell, Hertz a… Sin los descubrimientos, invenciones, y las teorías científicas resumen de estos hombres la telegrafía y otras maravillas y conocimientos…  ¡serían imposibles ahora!”

Hendrik Antoon Lorentz.jpg

    Hendrik Antoon Lorentz

Se le deben importantes aportaciones en los campos de la termodinámica, la radiación, el magnetismo, la electricidad y la refracción de la luz.  Formuló conjuntamente con George Francis FitzGerald una teoría sobre el cambio de forma de un cuerpo como resultado de su movimiento; este efecto, conocido como “contracción de Lorentz-FitzGerald”, cuya representación matemática de ella es conocida con el de transformación de Lorentz,  fue una más de las numerosas contribuciones realizadas por Lorentz al desarrollo de la teoría de la relatividad.

Fue, al igual que Henri Poincaré,  uno de los primeros en formular las bases de la teoría de la relatividad (frecuentemente atribuida primaria o solamente a Albert Einstein).  Fue ganador del Premio Nobel de Física en 1902, junto con su pupilo Pieter Zeeman,  por su investigación conjunta sobre la influencia del magnetismo en la radiación, originando la radiación electromagnética.  fue premiado con la Medalla Rumford en 1908 y la Medalla Coplay en 1918. Lorentz era hombre humilde y sencillo y le gustaba resaltar los logros de los demás:

                   Michael Faraday

“Como es probable que sepas, gran parte de nuestro conocimiento sobre la electricidad y el magnetismo se basa en los experimentos ingeniosísimos realizados por Michael Faraday en la primera parte del siglo XIX. Faraday era un experimentador genial, y descubrió numerosos fenómenos desconocidos hasta entonces, como la mutua. Estableció diversas leyes, pero no pudo elaborar una teoría global acerca del electromagnetismo porque sus conocimientos matemáticos no iban más allá de la trigonometría: hacía falta un teórico capaz de amalgamar el conocimiento adquirido por Faraday y otros experimentadores, como Hans Christian Ørsted, en una teoría general”.

Ese teórico era otro genio, James Clerk Maxwell, que estableció un conjunto de cuatro ecuaciones diferenciales bellísimas que describían de una manera extraordinariamente precisa los resultados de casi todos los experimentos de Faraday, Ørsted y compañía. Lo más sorprendente, el propio Maxwell y sus contemporáneos, fue una de las consecuencias inevitables de sus ecuaciones: la existencia de perturbaciones del campo eléctrico y el magnético que se propagaban por el espacio.”

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

Resultado de imagen de la velocidad de escape de la TierraResultado de imagen de la velocidad de escape de la Tierra

             Si no alcanza esa velocidad, nunca podrá escapar de la Gravedad de la Tierra

Un objeto que se moviera a 11,2 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/s (la mitad de la velocidad de la luz) sería del 15%; a 262.000 Km/s (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/s nos parecería que mide sólo 15’24 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/s 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 el universo.

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                                                                                 experimento conocido de Michelson-Morley

Todo aquello fue posible gracia a que en 1893, el físico irlandés George Francis FitzGerald emitió una hipótesis 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, lo cual introducía un efecto que anulaba cualquier diferencia aprovechable para detectar dicho movimiento.

Este asombroso fenómeno recibió el de “contracción de FitzGerald”, 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”.

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.

La dilatación del tiempo es el fenómeno predicho por la teorçia de la relatividad,  por el cual un observador observa que el reloj de otro (un reloj físicamente idéntico al suyo) está marcando el tiempo a un ritmo menor que el que mide su reloj. Esto se suele interpretar normalmente como que el tiempo se ha ralentizado para el otro reloj, pero eso es cierto solamente en el contexto del sistema de referencia del observador. Localmente, el tiempo siempre está pasando al mismo ritmo. El fenómeno de la dilatación del tiempo se aplica a cualquier proceso que manifieste cambios a través del tiempo.

fórmula para determinar la dilatación del tiempo en la relatividad especial es:

\Delta t = \gamma \ \Delta t_0 = \frac{\Delta t_0}{ \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \,

Donde:

 

\Delta t_0 \, es el intervalo temporal entre dos eventos co-locales para un observador en algún sistema de referencia inercial. (por ejemplo el número de tic tacs que ha hecho su reloj)
\Delta t \, es el intervalo temporal entre los dos mismos eventos, tal y como lo mediría otro observador moviéndose inercialmente con velocidad v, respecto al primer observador
v \, es la velocidad relativa entre los dos observadores
c \, la velocidad de la luz y
\gamma = \frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}} \,
es el también conocido como factor de Lorentz

De esta manera la duración del un ciclo de reloj del reloj que se mueve se ha incrementado: esta “funcionando más despacio”. Según lo indicado las transformaciones de Lorentz  pueden ser utilizadas para casos más generales.

Postulados de la Relatividad Especial

 

  • Primer postulado:  Principio especial de relatividad: Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto.
  • Segundo postulado: Invariancia de c: La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, c, que es independiente del movimiento de la fuente de luz.

 

  Aquí podemos ver el tiempo que tarda la luz en llegar desde la Tierra a la Luna situada a más de 380.000 Km

 Einstein que se apropió de aquella idea (de Lorentz) y, además, la amplió al contraer también el Tiempo. La contracción de la longitud ha sido verificada en el diseño, por ejemplo, del acelerador lineal de la Universidad de Stanford. Las partículas salen con una velocidad v = 0,999975c, por tanto, metro de tubo acelerador es “visto” por los electrones como 144 metros. Si, según la expresión anterior, un cuerpo con masa se moviera a la velocidad c desaparecería por contracción de su longitud para un observador en reposo, lo cual refuerza el carácter inalcanzable de velocidad. Si los objetos con masa alcanzan este límite de velocidad la estructura básica de la realidad se desvanece. Por otra parte, vemos que cualquier influencia que afecte al tiempo también lo hará con el espacio. Esto no nos debe de extrañar, ya que ambas magnitudes se encuentran íntimamente relacionadas por lo único que se nos mantiene invariable: la velocidad de la luz. En relatividad hablamos de espacio-tiempo ya que son inseparables.

A la contracción, Einstein, le dio un marco teórico en la teoría especial de la relatividad. En teoría, un objeto de longitud /0 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 /0 , 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.

Resultado de imagen de la contracción de Lorentz

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 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 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.

Resultado de imagen de Un objeto que corra a velocidades cercanas a la de la luz, verá incrementada su masa

          Un objeto que corra a velocidades cercanas a la de la luz, verá incrementada su masa. Haces de muones lanzados por el LHC a velocidades relativistas, incrmentaron su masa diez veces.

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 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 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.

                                                                   Nada puede viajar a la velocidad de la luz

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 , 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.

emilio silvera

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Esta entrada fue publicada el jueves, 10 de noviembre de 2016 a las 4:22 y está clasificada bajo: La Luz esconde muchos secretos. Puede hacer un seguimiento de los comentarios de esta entrada gracias al feed RSS 2.0. Puede dejar un comentario, o enviar un trackback desde su sitio.
 

  1. 1
    Ramon Marquès
    el 21 de febrero del 2015 a las 20:35

    Hola Emilio:
    Al comienzo te preguntas ¿qué es el tiempo?  Yo,con todo el respeto a Einstein, no creo que se pueda equiparar a las tres dimensiones espaciales. Es algo muy distinto. A todo caso lo que más se parece a una cuarta dimensión es la trayectoria del objeto. Y como trayectoria = v X t (velocidad por tiempo). Aquí veo la similitud.      
    Amigo Emilio, un fuerte abrazo. Ramon Marquès 

    Responder
  2. 2
    wmilio silvera
    el 22 de febrero del 2015 a las 8:33

    ¡Hola, amigo Ramón!
    El Tiempo siempre ha tenido obsesionado a los grandes pensadores, es algo que no se puede tocar y, sin embargo, ahí está, los efectos de su transcurrir se dejan ver de manera innegable. Algunos llegaron a la conclusión de que era una abstracción, y, nosotros, los humanos, hicimos de ella algo real para poder entendernos en Sociedad, y, para ello, inventamos el reloj, ese mecanismo que marca los segundos, los minutos y las horas que nos dicen la hora para entrar en la oficina, o cuando comienza la película. También para quedar con un amigo en un determinado lugar. Y, es el “Tiempo” del reloj el que nos dice que los días van pasando cuando llega la noche y aparece de nuevo el día, pasan los años y los siglos, los milenios y, nosotros sabemos de todo eso porque no dejamos de buscar los vestigios del paso del Tiempo.
     

     
    No lo tenemos nada claro, lo que el Tiempo es, y, no pocos filósofos han tenido su batalla particular con éste concepto al que dieron vueltas y vueltas para finalizar confesando que no sabían, a ciencia cierta, lo que era el Tiempo. Hay una amplia documentación de obras filosóficas que tratan sobre los aspectos relativos a la ontología, la epistemología y sobre la naturaleza del espacio y el tiempo que, no pocas veces, al ser una materia que no podían dominar, entraba en el campo metafísico de lo que está más allá de la comprensión humana.
    Todos sabemos del concepto Espacio-Tiempo que Minkouski, el profesor de Einstein, nos trajo a partir de la Teoría de su alumno de la relatividad especial. Allí el concepto se concibe como algo opuesto al Tiempo Absoluto de Newton y se hace relativo al existir una imposibilidad de establecer la simultaneidad de los sucesos registrados en marcos de referencia distintos. Este concepto nos daría para un largo debate.

    “La relatividad es una teoría de unificaciones, de la mecánica con la electrodinámica y la termodinámica, por un lado, y del espacio y el tiempo, por otro. Según el historiador de la ciencia Pietro Redondi, «concebir la velocidad finita de la luz como único medio de información fiable sobre los fenómenos significaba que ya no era posible separar la posición de un cuerpo en el espacio (trío de coordenadas) de su posición en el tiempo. Una estrella lejana en el espacio lo está también en el tiempo. (…) Para Einstein, tiempo y espacio están inmersos en el universo, y no el universo en ellos.”

    El Tiempo, amigo Ramón, es algo que nos acompañla desde que nacemos hasta que, cuando “nuestro tiempo”finaliza, nos vamos hacia otro lugar que, estando en este mundo, queda fuera de él. Hablamos de pasado, de presente y de futuro y, en realidad, todos estamos confinados en un eterno presente wue se hace pasado para ser de nuevo presente pero, del futuro… ¡nunca lo podremos tocar! Sin embargo, si que podemos modelarlo y construirlo, lo que hagamos en el presente serán las bases del futuro de otros que, sin embargo, lo conocerán como presente.
    En nuestro mundo macroscópico, el Tiempo presenta esa característica fundamental de irreversibilidad, nada puede regresar cuando se va hacia el pasado, ninguna totura de simetría se recompondrá de nuevo, y, por eso, precisamente, hablamos de la Flecha del Tiempo que, como hemos podido constatar, sólo marcha en una dirección: ¡Hacia el Furturo que nosotros mismos construimos y que nunca podremos conocer!
    Recordar el pasado nos está permitido porque lo hemos vivido y de él, tomamos la experiencia. Sin embargo, del futuro, nada podemos recordar porque, nunca estuvimos allí y jamás podremos estar. El futuro es esa parte del Tiempo de la que todos sabemos pero que nadie, nunca, podrá conocer. ¿Qui´çen puede decir lo que pasará mañana?

    “Una solución a este problema adopta un punto de vista metafísico, más concretamente partiendo de la causalidad, la cual, se observa, presenta una neta asimetría (relacionada con la citada irreversibilidad) en el tiempo. El motivo de que sepamos más del pasado es que los elementos del pasado son en realidad las causas de los efectos que vemos en el presente. El motivo de que no esté en nuestra mano afectar al pasado y sí el futuro, es porque no podemos afectar al pasado y sí al futuro.Hay dos dificultades importantes con esta visión. Primero está el problema de distinguir la causa del efecto de una manera no arbitraria. El uso de la causalidad al construir un orden temporal podría llegar a ser fácilmente circular. El segundo problema no radica en la consistencia de esta visión, sino en su poder esclarecedor. El ejemplo de la causalidad puede explicar algunos fenómenos asimétricos en el tiempo, como la percepción y la acción, sin embargo no es capaz de explicar cabal y estrictamente muchos otros.”

    El problema del flujo del tiempo, tal y como se ha tratado en la filosofía analítica, debe su origen a un artículo escrito por el filósofo idealista J.M.E. McTaggart: The Unreality of Time (La irrealidad del tiempo, 1908). En dicho artículo McTaggart trata de demostrar: 1) que “nuestra percepción” del tiempo es una ilusión,  y 2) que “el tiempo mismo” es meramente una abstracción sin existencia real. Todo esto se presta a una larga discusión que, seguramente, nunca podríamos finalizar por no tener la altura intelectual que requiere el tema y, si miramos la historia veremos que:
    – El existencialismo filosofía irracionalista de corte humanístico («el existencialismo es un humanismo», afirmó Sartre), al igual que el filósofo francés Henrí Bergson, adopta una suerte de visión antropocéntrica de los grandes temas estudiados, y más concretamente del “tiempo”.
     

    – El artículo “La medida del tiempo” (1898), del matemático francés Henrí Poincaré, debe interpretarse como el punto de inflexión entre la nueva física de Einstein y la filosofía de Ernest Mach, que discutía la idea de un tiempo verdadero, sustituyéndolo por la idea de un conjunto de operaciones de medida. Poincaré, refutando (al lado de Bergson) el tiempo pretendidamente objetivo de la ciencia, sostiene que ésta cometió el error de dotar de realidad a un concepto matemático. Era precisamente la conciencia del tiempo la que indujo a la ciencia a lanzar la «hipótesis grosera» de Newton de un tiempo real y medible. El tiempo no viene definido por los relojes, y tampoco por el movimiento de la Tierra. Por tanto, resulta problemático tratar de definir tanto la simultaneidad de dos sucesos, como el antes y el después de los mismos. La primera se ha instituido como estrategia de la física para obtener leyes universales, y el antes y el después está viciado por la causalidad: por el tiempo definimos la causa, lo que supone una petición de principio, especialmente dado que las causas pueden ser o bien simples o infinitamente complejas.«Todas estas definiciones no son más que fruto del oportunismo inconsciente», afirma Poincaré.

    Si seguimos profundizando en lo que pensaban aquellos filósofos y matemáticos sobre lo que el Tiempo es… ¡Podríamos llegar a una conclusión que nos dijero que, el Tiempo estaba y no estaba, que era real y una abstracción, que era algo relacionado con la numerología y, también, algo que dejaba la huella de su transcurrir, y, aunque no se deja ver… sí, finalmente, podríamos pensar que en alguna parte está, es decir, por todas partes!
    En fin amigo Ramón, que tendríamos que ser más listos para poder, hablar del Tiempo con propiedad.
    Un abrazo
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

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