Secundaria Física relativista

[pablovil]

Aún estoy liado con el trabajo y tal del qual escribí un post dentro del foro de orientación. Ahora ya tengo más o menos la base y la estructura para poder desarrollarlo. Pero sigo estando un poco perdido. Sé más o menos qué es la dilatación del tiempo, qué es la contracción de longitudes, la relatividad especial y general y todos aquellos temas relacionados con la física relativista, pero aún no sé como empezar a desarrollar esta parte del trabajo. Para empezar, quiero definir qué es este tipo de física. Aún no he encontrado una web o un libro que me de la explicación que yo busco.
Después: la estructura. No sé como empezar. Cómo surge el tema de la relatividad? Quién se lo plantea primero? Tengo entendido que antes de Einstein está Galileo, quien postula su principio de la relatividad. Vale, pero anterior a eso... qué hay? Cómo surge esa idea? A partir de qué?

Como veis, ando un poco perdido con el tema. A ver si podéis echarme un cable y ayudarme a estructurar el trabajo.

Un saludo a todos, y muchas gracias!

[aLFRe]

Re: Física relativista

Para empezar, quiero definir qué es este tipo de física. Aún no he encontrado una web o un libro que me de la explicación que yo busco.

Se suele empezar diferenciando entre
TRE - acrónimo de Teoría Especial de la Relatividad -
y TRG - acrónimo de Teoría General de la Relatividad -

La TRE, que fue la primera en ser expuesta, se suele presentar a los estudiantes en los primeros cursos de licenciatura
después del tema de Dinámica porque - tal y como se presenta -
requiere entender las magnitudes cinemáticas y dinámicas clásicas,
a saber : posición, desplazamiento, velocidad, aceleración, masa inercial, cantidad de movimiento y fuerza
y algunos conceptos tales como SRI - Sistema de Referencia Inercial - y Transformaciones de Galileo.

Se hace mal porque en realidad - hasta donde yo sé - la TRE nace a partir del artículo de Einstein
"On the electrodynamics of moving bodies" publicado en 1905
y el artículo - que puedes leer en este enlace
consta de una parte sobre cinemática y de otra sobre electromagnetismo.
Cuando estudias Electrodinámica ( variación en los campos eléctrico y magnético y cómo se propagan )
te aparecen ya muchas cosas que formuló Einstein.

La TRE lo que viene a decir es que ( obtienes las ecuaciones ) a partir de cualquier fenómeno ( variación en magnitudes físicas )
ya sea de la mecánica o del electromagnetismo
es imposible saber si estás en reposo o en movimiento uniforme.

Por poner dos ejemplos

1. De la Cinemática.
Ya que tú has hablado de las transformaciones de Galileo,
si un viajero enciende un foco mientras viaja en un tren que se mueve a velocidad uniforme v respecto a un observador en reposo
para el observador en reposo la velocidad de la luz sería c' + v
siendo c' la velocidad que mide el viajero.

2. Del Electromagnetismo : las ecuaciones de Maxwell no son invariantes en una transformación de Galileo.

Luego debes de tener en cuenta estos dos aspectos y concluir lo siguiente :

Para 1. , ambos deben de obtener el mismo resultado para la velocidad de la luz en el vacio
( es una constante fundamental... independiente de la rama de la Física que estudies )

Para 2. Las transformaciones de Galileo no sirven para expresar las magnitudes cinématicas en un cambio de un SRI a otro SRI.
Hay que usar otro tipo de transformación : las llamadas de Lorentz.

Por lo que se refiere a la TRG me temo que no te puedo ayudar mucho porque no sé mucho de ella.
Cuando se estudia Dinámica en los primeros cursos de licenciatura,
por una parte se estudian las leyes de Newton y se introduce el concepto de "masa inercial"
y cuando se estudia la Ley de Gravitación Universal se introduce el concepto de "masa gravitatoria".

Aunque parece que las propiedades de la materia :
su inercia ( como reaccionan bajo una fuerza )
y su capacidad de atraer a otras masas serían son fenómenos distintos,
si eliges bién las unidades, ambas masas son idénticas y a esto se llama Principio de Equivalencia.

Se presenta a los alumnos el caso de un pasajero que viaja en un ascensor que se mueve con aceleración constante
( no es un sistema de referencia inercial )
y se afirma que la descripción de los fenómenos dinámicos hechas por un observador en ese Sistema de Referencia No Inercial - SRNI -
no se podría diferenciar si en vez de esto el observador estuviese bajo los efectos de de un campo gravitatorio uniforme.
Hay un ejemplo muy interesante de esto en el volumen 2 de Física para la Ciencia y la Tecnología de Tipler.

Después: la estructura. No sé como empezar. Cómo surge el tema de la relatividad? Quién se lo plantea primero? Tengo entendido que antes de Einstein está Galileo, quien postula su principio de la relatividad. Vale, pero anterior a eso... qué hay? Cómo surge esa idea? A partir de qué?

Las Transformaciones de Galileo relacionan las magnitudes cinemáticas que verían observadores
en traslación uniforme uno respecto del otro - esto es... volvemos al ejemplo del viajero en el tren y del observador que ve al tren moverse -
En este caso, si ambos intentan resolver un problema de mecánica, por ejemplo el de una masa que desliza por un plano inclinado
obtienen las mismas ecuaciones de movimiento
( las ecuaciones de movimiento se obtienen identificando las fuerzas y usando la segunda ley de Newton )
Miden las mismas aceleraciones aunque para cada uno la velocidad y la trayectoria de la masa sean distintas.
La aceleración no varía cuando usas las transformaciones de Galileo entre dos SRI...
y por eso se habla de ese "principio de relatividad"
que se puede deducir fácilmente haciendo un dibujo - en el primer volumen del Alonso-Finn está hecho -
pero yo creo que lía más que aclara referirse a esto así.

El problema, vuelvo a lo de antes es cuando ya formulado por Maxwell el electromagnetismo intentas aplicar esto a la propagación de la luz
en el vacio y además hay un problema derivado de que no se entendía demasiado bien
lo que era como podía propagarse una onda en ausencia de medio ( vacio )
y se había postulado un medio llamado éter - o mejor éter luminífero - que lo llenaba todo.

Históricamente - seguro que meto la pata - Ernst Mach a mediados del Xix inició una crítica de la Mecánica tal y como se entendía
por entonces ( se pensaba que el espacio existe y es de una forma determinada - sus propiedades - con independencia de que haya o no materia
y el tiempo 'pasa' siempre de la misma forma )
Mach fue un genio... así de claro.

Y la verdad es que a finales del Xix ya se conocían muchas cosas : Fitzgerald y Lorentz había deducido las tranformaciones
y Poincaré - otro genio - había formulado en forma correcta el principio de relatividad y algunas de sus conclusiones.

Sobre la TRG, pues pasa una cosa similar.
A Gauss - que fue niño prodigio - ya había pensado en geometrías distintas a la euclídea
y Riemann había estudiado estudiados las variedades diferenciales y la métrica.
Los tensores y la covariancia ya se conocían por los trabajos de Ricci y de Levi-Civita a principios del siglo Xx.
Supongo que Einstein usó todo esto para explicar la gravedad.

Y no sé que decirte....
hace unos días leí un artículo en El País donde se presentaba que el primer "ideólogo" de los viajes en el tiempo usando una máquina
no había sido H.G.Wells
sino don Enrique Gaspar, un español, que la bautizó como "el anacronópete "
y usaba un cierto "fluido García" en sus viajes.
El artículo de "El País" se puede leer en este enlace.
Eran los tiempos del krausismo en España y de cierto ambiente que permite que estas ideas salgan.
Ya hemos hablado por aquí otras veces de Khun y su libro "The Structure of Scientific Revolutions"
y también hemos hablado de que las ideas y las técnicas matemáticas o de computación de una ciencia...
a veces suelen pegar un salto e impregnar otras ramas del saber o del arte.
Y que, en general, esto es bueno... siempre que impere la razón o la creatividad y no la verborrea y el plagio.

Saludos y suerte con tu trabajo.