Paradoja de los Viajes Espaciales

   La Teoría de la Relatividad Restringida que Einstein estableció en 1905, posee dos principios fundamentales:
1) Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales. Este postulado generaliza el principio de relatividad de Galileo, el cual era válido solo para experimentos mecánicos.
2) La velocidad de la luz no depende del movimiento de la fuente luminosa. Este es un axioma CLAVE para entender toda la física moderna. Einstein trató de salvar el hecho de que si fuera posible que un observador se moviera con la velocidad de la luz, la velocidad relativa de ésta sería cero.
En sus propias palabras:
""Si yo persigo un haz de luz con velocidad C [velocidad de la luz en el vacío], debería observarlo como un campo electromagnético oscilatorio en reposo.Sin embargo, no ocurre tal cosa sobre la base de la experiencia o de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell [ecuaciones que describen todos los fenómenos electromagnéticos]. Desde el principio, me pareció intuitivamente claro que, desde el punto de vista del observador, todo ocurriría según las mismas leyes de un observador que estuviera en reposo sobre la Tierra. Pues, de otro modo, ¿cómo sabría el primer observador, es decir, cómo podría determinar que se encuentra en estado de movimiento uniforme?"".
   Analizando con detalle este principio, se puede afirmar que un observador acercándose o alejándose de una fuente luminosa, mide la misma velocidad para la luz que un observador en reposo con respecto a dicha fuente. Así, la noción clásica del tiempo absoluto queda desterrada.
   Por tanto, todos los fenómenos físicos que dependen del tiempo son relativos, como por ejemplo, la velocidad de las reacciones químicas, el movimiento de los electrones en sus átomos,... y los viajes espaciales: un observador A, situado en una nave espacial, será más joven que un observador B situado en la Tierra. La ciencia-ficción se ha nutrido durante décadas de este fenómeno, comprobado experimentalmente, por cierto.
   La Paradoja es la siguiente: "al observador B situado en la Tierra, le parece que el observador A, situado en la nave espacial, vive a un ritmo más lento que el suyo, pero al observador A le parece que el observador B es el que vive a un ritmo más pausado".
   ¿Tiene solución esta paradoja o se cumple siempre? Afortunadamente se puede resolver: supongamos que la nave en la que viaja el observador A, lo hace con una trayectoria rectilínea. Para poder comparar cuál de los dos observadores ha envejecido más, es claro que ambos deben reunirse, lo que crea una situación diferente, ya que si A sale desde la Tierra, parte del reposo acelarando hasta alcanzar una velocidad y después decelerar para volver al estado de reposo en la Tierra. Además, debe dar una vuelta en su camino rectilíneo, que supone una nueva aceleración debida al cambio en el sentido de la velocidad. Como el observador A acelera en su viaje, no se mueve con un movimiento uniforme y, por tanto, no puede aplicar la Teoría de la Relatividad Restringida, cosa que sí puede hacer el observador B que está situado en la Tierra, en reposo, por lo que las predicciones correctas las realiza el observador B y no el A, y así, se cumple la primera parte de la paradoja pero no la segunda.

Sonido, Luz, Ondas, Huygens

   Huygens (1629 - 1695) es uno de los mayores científicos de la historia, sin lugar a dudas. En esta entrada traigo un fragmento de una publicación suya en la que explica el llamado "Principio de Huygens" referido a la naturaleza de la luz, trabajo posterior a sus aportaciones al estudio del sonido como onda.
   A título informativo y sin que sirva de precedente, la legislación española actual regula la contaminación acústica en la Ley 7/2007 llamada GICA, Gestión Integrada de la Calidad Ambiental, desarrollando el Decreto 326/2003 de Contaminación Acústica, así como la Ley 37/2003 del Ruido.

   En la polarización, cuando un rayo de luz incide sobre ciertos cuerpos transparentes, entre ellos el cristal de Islandia, se desdobla en dos rayos de tal manera que si sobre un papel dibujamos un punto y lo observamos a través de estos cristales, vemos dos puntos: uno en la posición normal y otro muy cerca de esta posición. Cuando el cristal se hace girar en el plano del papel de la imagen normal, queda fija pero la segunda imagen gira en torno a ella. Huygens no consiguió explicar este fenómeno.

   La teoría ondulatoria quedó aún más reforzada por Foucault en 1850: ideó un ingenioso procedimiento para medir la velocidad de la luz en distancias muy cortas (experimento Fizeau-Foucault). Así pudo conocer que, como preveía Hyugens, la luz viaja más despacio en el agua que en el aire con lo cual desechó la interpretación de la refracción dentro de la teoría corpuscular.

   Newton era favorable a una teoría corpuscular mientras que Huygens y Hooke optaban por una teoría ondulatoria con la cual interpretaban el hecho de que dos haces luminosos se cruzan sin perturbarse, algo difícil de entender dentro de la teoría mecánica-corpuscular. Huygens desarrolló en profundidad una teoría ondulatoria de la luz pero, suponiendo que, como las ondas acústicas, eran ondas longitudinales, mientras que Hooke defendía que estas ondas eran transversales.

   Lord Kelvin citaba: "nunca estoy satisfecho hasta que consigo el modelo mecánico de una cosa. Si puedo construir un modelo mecánico, entiendo el fenómeno", lo cual era el sentir de la comunidad científica de la época.

   Aquí dejo el texto literal, que es una delicia leer, sobre el comportamiento de esa gran desconocida y esquiva como lo fue la luz. Espero sea disfrutado.

   Fragmento del estudio "Traité de la Lumiére", Francia 1678, publicado en Países Bajos en 1690:

""Además, cuando se considera la gran velocidad a la que la luz se propaga hacia todos lados y que, cuando procede de diferentes lugares incluso completamente opuestos, los rayos se atraviesan sin impedimento, se comprende bien que cuando vemos un objeto luminoso, no puede ser por el transporte de una materia que llega desde el objeto hasta nosotros como una bala o una flecha que atraviesa el aire, pues asegurar esto, repugnaría demasiado a estas dos cualidades de la luz y, sobre todo, a la última [nota mía: se refiere a la dualidad onda-corpúsculo de la luz]. Debe propagarse entonces de otra manera y lo que nos puede llevar a comprenderlo es el conocimiento que tenemos de la propagación del sonido en el aire

   Sabemos que, por medio del aire, que es un cuerpo invisible e impalpable, el sonido se propaga a partir del lugar donde se ha producido, por un movimiento que pasa, sucesivamente, de una parte del aire a otra y que la propagación de este movimiento se hace con igual velocidad en todas direcciones, debiéndose formar como superficies esféricas que crecen siempre y que acaban por alcanzar nuestro oído.

   Ahora, si se examina cuál puede ser la materia en la que se propaga el movimiento que procede del objeto luminoso, a la que yo llamo éter, se ve que no es la misma que sirve para la propagación del sonido. Pues se encuentra que esta última es precisamente el aire que sentimos y que respiramos, el cual, eliminado de cualquier lugar, todavía deja la materia que sirve para la propagación de la luz. Esto se prueba encerrando un cuerpo sonoro en un vaso de vidrio del que se elimina el aire con la máquina que nos proporcionó M. Boyle y con la cual ha realizado muchos bellos experimentos. Pero haciendo este del que hablo, debe tenerse cuidado en colocar el cuerpo que suena sobre el algodón o sobre plumas de manera que no pueda comunicar vibraciones al vaso de vidrio que lo encierra o a la máquina, una precaución que, hasta ahora, había sido descuidada. Entonces, después de haber vaciado todo el aire, no se escucha el sonido del metal cuando es golpeado. Se ve aquí no solo que nuestro aire, que no penetra en absoluto en el vaso, es la materia en la que se propaga el sonido, si no también que no es el aire si no otra materia en la que se propaga la luz, pues eliminando el aire del vaso, la luz no deja de atravesarlo como antes... Cada pequeña región de un cuerpo luminoso, como el Sol, una vela o un carbón encendido, genera sus propias ondas de las cuales esta región es el centro [nota mía: el conocido como Principio de Hyugens].

   Pero lo que puede parecer completamente extraño y aún increíble, es que las ondulaciones por movimientos y corpúsculos tan pequeños pueden extenderse a distancias tan inmensas como, por ejemplo, desde el Sol o desde las estrellas hasta nosotros. Pues la fuerza de estas ondas debe debilitarse a medida que se separan de su origen, de manera que la acción de cada una de ellas en particular, resultará, sin duda, incapaz de hacerse sentir a nuestra vista. Pero dejaremos de asombrarnos considerando que a una gran distancia del cuerpo luminoso, una infinidad de ondas, cada una trazada desde puntos diferentes de este cuerpo, se unen de manera que realmente componen solo una onda que, por consiguiente, debe tener bastante fuerza para hacerse sentir. Así, este número infinito de ondas que nacen en el mismo instante de todos los puntos de una estrella fija tan grande como el Sol, no son prácticamente más que una onda, la cual puede tener bastante fuerza para impresionar nuestros ojos. Por otra parte, de cada punto luminoso pueden venir muchos miles de ondas luminosas en el menor tiempo imaginable, por la frecuente percusión de corpúsculos, que inciden en el éter en estos puntos, lo que contribuye todavía a hacer la acción más sensible. Hay todavía que considerar en la emanación de estas ondas que cada partícula de la materia en la cual se propaga una onda no debe comunicar su movimiento solamente a una partícula próxima que esté en línea recta trazada desde el punto luminoso, si no que lo comunica también necesariamente a todas las otras que la tocan y que se oponen a su movimiento. De manera que, es necesario que alrededor de cada partícula se forme una onda de la cual esta partícula sea el centro."".