Confirmación experimental de la teoría de la relatividad especial (1)

La teoría de la invariancia es una de las más comprobadas experimentalmente en física. Por lo tanto experimentos hay muchos, como debe ser, ya que la idea un solo experimento crucial es novelesca. No obstante recogemos en esta entrega y en la próxima algunos ilustrativos de las conclusiones de la teoría. Empezamos por el primer postulado de Einstein, que también debe probarse.

La velocidad de la luz en el vacío es constante.

Se ha obtenido una confirmación directa de la constancia de la velocidad de la luz a partir del estudio de las estrellas dobles, que son estrellas que orbitan una alrededor de la otra. Si la órbita de una estrella está en la línea de visión desde la Tierra, entonces en un lado de la órbita se está moviendo hacia la Tierra, en el otro lado se está alejando. Los estudios precisos de la velocidad de la luz emitida por estas estrellas cuando se acercan o alejan de nosotros a alta velocidad no muestran diferencia en la velocidad de la luz, lo que confirma que la velocidad de la luz es independiente de la velocidad de la fuente. Estos experimentos los propuso Willem de Sitter en 1913, y después se han comrpobado reiteradamente cada vez con mayor precisión.

Aún más espectacular es otro experimento que tiene que ver con una partícula a muy alta velocidad en un acelerador. Mientras la partícula se mueve cerca de la velocidad de la luz, emite radiación electromagnética en direcciones opuestas, hacia adelante y hacia atrás.Hay instrumentos sensibles que detectan la radiación y miden su velocidad. Por asombroso que pueda parecer para los no iniciados, la velocidad de la radiación emitida en ambas direcciones resulta ser exactamente la velocidad de la luz, a pesar de que la propia partícula se mueve cerca de la velocidad de la luz, una confirmación del postulado de la constancia de la velocidad de la luz.

Las pruebas experimentales son de tal calibre que la constancia universal de la velocidad de la luz es una ley física fundamental.

La relatividad del tiempo

La teoría de la relatividad predice que un reloj en movimiento, tal y como lo ve un observador estacionario, funcionará más lentamente que un reloj estacionario. Ya hemos mencionado que este efecto ha sido probado y confirmado utilizando relojes atómicos dentro de aviones y satélites.

Una confirmación de la relatividad del tiempo se encontró con la solución a un curioso rompecabezas. Los rayos cósmicos son protones, núcleos y otras partículas de alta velocidad que fluyen a través del espacio desde el Sol y la galaxia en su conjunto. Cuando chocan con las moléculas de la atmósfera de la Tierra su energía y su masa se convierten en otras partículas elementales, una confirmación en sí misma de la equivalencia energía-masa. Una de las partículas que se producen en la atmósfera es el llamado mesón mu, o simplemente el muón. Cuando se producen en el laboratorio, los muones lentos tienen una vida corta. En promedio, solo duran alrededor de 2,2·10-6 s, momento en el cual hay una probabilidad del 50 % de que cada uno se descomponga en otras partículas elementales.

El enigma está en que los muones que se crean en la atmósfera superior y que se mueven a gran velocidad se ha medido que “viven” más tiempo antes de desintegrarse que aquellos generados en el laboratorio. Duran tanto que sobreviven al largo viaje hasta los detectores en el suelo muchos más lo que debería ser posible. Teniendo en cuenta la velocidad con la que viajan y la distancia que deben recorrer desde la atmósfera superior hasta el nivel del mar (unos 30 km), su vida media de 2,2·10-6 s medida para muones lentos no debería ser suficiente para que sobrevivan al viaje. La mayoría de ellos debería desintegrarse antes de tocar el suelo; pero, el hecho cierto es que la mayoría llega al suelo. ¿Cómo es esto posible?

Déficit de muones observados por Ice Cube y que revelan la presencia de la Luna. Esto se debe a que los muones generados por los rayos cósmicos en las capas altas de la atmósfera llegan hasta el detector desde todas las direcciones del espacio, pero la Luna hace que disminuya el número que llegan desde su dirección.

La respuesta es la dilatación temporal predicha por la teoría de la relatividad. En relación con los detectores en el suelo, los muones se mueven a una velocidad tan alta que su “reloj” parece ralentizado, lo que les permite sobrevivir el tiempo suficiente para alcanzar el suelo. La cantidad de ralentización, según lo indicado por el número de muones que llegan al suelo, se encuentra que es exactamente la cantidad predicha por la teoría de la invariancia.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

3 Comentarios

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IñakiIñaki

Como siempre muy interesante. El tema es contraintuitivo, por eso hay tantos críticos. A veces me resulta dificil creerlo, pero como dijo Sagan ¿porque nuestra esperiencia de 10 km/h iba a ser aplicable a algo que se desplaza a 300.000 km/seg?

Luis GrayLuis Gray

La explicación de los muones tal y como se suele contar, deja mucho que desear y es una explicación contraproducente si no se dan más datos ya que la explicación más lógica para un escéptico de la relatividad es que los mounes llegan a la tierra, no porque su vida media sea más larga respecto al observador de la tierra, sino porque viajan a una velocidad superior a c.

Se necesita conocer la velocidad de los muones para que el experimento sea una confirmación de la relatividad.

En el siguiente enlace se detalla como en CERN se hizo el experimento, que, esta vez sí, confirma la dilatación del tiempo.

crononautas.wordpress.com/2015/1…je-del-muon/

Confirmación experimental de la teoría de la relatividad especial (y 2) - Cuaderno de Cu...

[…] que toda velocidad es relativa al observador que mide la velocidad. Con esto en mente, volvemos al rompecabezas de los muones de larga vida, pero esta vez desde la perspectiva del desventurado muón que atraviesa la atmósfera de la […]

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