Preguntas de física

[ivancea96]

Según la paradoja de los gemelos, un gemelo que viaja cerca de la velocidad de la luz a una distancia determinada y vuelve, acabará siendo más jóven que el gemelo que se quedó en la tierra.

Olvidando la resolución con los cálculos de la teoría relatividad, ¿por qué el tiempo afecta de diferente manera a la materia que viaja cerca de la velocidad de la luz?
¿En qué punto se denomina "cerca de la velocidad de la luz", acaso hay un margen?
¿De no ser así, aumentar la velocidad de la materia logra diminuir el efecto del tiempo sobre ella?


Este problema lo llevo estudiando desde que empecé secundaria, y no cambiaré mi opinión hasta que encuentre una respuesta "lógica". Ilústrame.

[programatrix]

Gracias por preguntar pensé que el hilo moriría.

Olvidando la resolución con los cálculos de la teoría relatividad, ¿por qué el tiempo afecta de diferente manera a la materia que viaja cerca de la velocidad de la luz?

Básicamente por dos cosas. Aunque creo que la más importante y que entenderás mejor, aunque la segunda la desarrollaré es porque la velocidad de la luz en el vacio es la misma para todos los sistemas de referencia inerciales. Es el segundo postulado de Einstein en su teoría de la relatividad Especial y ampliamente demostrado.
Si yo me muevo a velocidades próximas a la luz y la velocidad de la luz debe ser constante. ¡Algo falla!. En la relatividad de Galileo no existian estos problemas pues incluso velocidades de 10000 m/s son despreciables comparadas con la velocidad de la luz. Pero si yo me muevo a velocidades próximas de la luz, un observador fijo, tiene que ver que las longitudes y el tiempo cambia en mi sistema para que la velocidad de la luz para el también sea constante c, es decir si yo enchufo con una linterna moviendome a velocidades próximas a la luz, el otro observador verá que mis longitudes y tiempo se han modificado para el medir que al iluminar con mi linterna, la luz también va a velocidad c aunque yo me mueva a velocidades próximas a la luz. A partir de ese postulado se desarrolla la teoría. Pero más allá del marco teórico, si montas relojes atómicos en el sistema de referencia de la tierra y otro en una nave espacial, se ha comprobado la teoría de la relatividad.
La segunda parte es porque todas las constantes físicas universales, deben quedar siempre constantes en un sistema de referencia inercial. Esto es que aun moviéndonos a la velocidad de la luz, deben querar invariantes. Y esto solo es posible mediante un espacio tiempo no absoluto. Además ningún sistema de referencia inercial sabemos si está en reposo absoluto.
*Sistema de referencia inercial es el cual no sufre aceleración ninguna ,es decir se mueve a velocidad constante

¿En qué punto se denomina "cerca de la velocidad de la luz", acaso hay un margen?

El convenio dice que para que se empiecen a tomar en cuentas efectos relativistas cuando la velocidad es una décima parte de la de la luz. Es decir 3*10^7m/s Estas velocidades solo la pueden conseguir partículas o átomos en aceleradores con alta energía. Un electrón no tanto, es muy poco masivo, pero un protón se necesitan muy altas energías.

¿De no ser así, aumentar la velocidad de la materia logra diminuir el efecto del tiempo sobre ella?

Si, pero también termina aumentando su masa, la masa de un cuerpo es su oposición a ser acelerado. Cuanto más masivo es un cuerpo más energía necesita para ser acelerado y cuando llegamos al límite relativista entonces el cuerpo empiza a aumentar su masa y su resistencia para ser mayormente acelerado, es decir aumentar su velocidad, cualquier partícula con masa necesita infinita energía para lograr ir a la velocidad de la luz. El efecto del tiempo sobre ella diminuye es un hecho. La radiación que nos llega de la atmósfera no llegaría a tocarnos si no fuera por la relatividad. Un muhón tiene un periodo de 2,2*10^(-6) segundos, si no fuera a velocidades próximas a la luz al llegar a nuestro planeta, la partícula se desintegraría muhon antes de llegar a la superficie terrestre. Esto no es así, para nuestro sistema de referencia la partícula está mucho más tiempo viajando que el tiempo que tarda en desintegrarse. Aunque en el sistema de la partícula que viaja pasa ese tiempo para desintegrarse.


Si algo no te ha quedado claro intentaré de explicartelo mejor incluso mirar bibliografía y apuntes. Tu pregunta lo que quieras

De la misma manera animo a todos los demás a preguntar, hay más cosas que la teoría de la relatividad en física.

Os cuento una anécdota. A Einsteín le preguntó un periodista si podía explicar su famosa teoría de la relatividad. Entonces Einsteín replicó, ¿Podría usted señor periodista explicarme como freir un huevo?, si sin problemas. Bien ahora piense que yo no se ni que es el fuego, ni que es una sarten, ni que es un huevo, ni que es el aceite, ni que es la sal...
Algo parecido sucede aquí, sin conocimientos de física básica se puede explicar conceptos físicos en plan divulgación pero para abstraerse de la teoría entera se necesitan el conocimiento matemático y físico básico para entenderla.

[ccrunch]

Es cierto que el universo es infinito?  Como físico, crees en dios, total o parcialmente (cada persona tiene su modo de creencia) ?  Es verdad la teoría de los viajes a gran velocidad , que nuestro universo es como una hoja de papel doblada en forma de eses, y los viajes ultrarapidos se consiguen "atravesando " esas ese de la hoja de papel?  Esto último es un poco extraño pero es una teoría.

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[programatrix]

Es cierto que el universo es infinito?

Una pregúnta Cosmológica compleja, pero te puedo ir diciendo que el universo no es infinito. El universo es como la superficie de un globo que poco a poco se va hinchando de aire. En el inicio (imaginate que el globo fuera diminuto, puntual) y ese globo se va expandiendo, su superficie con el tiempo se hace más grande, más dimension. Los puntos que antes estaban cerca se van distanciando poco a poco, así de una forma aproximada es el universo, un globo hinchandose. Según avanza el tiempo, el universo es más grande en extensión, pero no infinito. Ahora cuando más lejos está una galaxia de nosotros, con mayor velocidad se aleja de nosotros, si esa velocidad de alejamiento es mayor a la velocidad de la luz entonces no podremos ver esa galaxia más... (El espacio tiempo es el que se expande, la galaxia no se mueve), lo que podemos ver actualmente se llama horizontes de sucesos, es lo máximo que se puede llegar a observar del pasado. También cada vez que observamos una galaxia lejana retrocedemos al pasado, por ello resulta realativamente trazar la teoría del bigbang y la edad del universo porque nos llega información de ese pasado a la tierra, fotones que se emitieron hace mucho tiempo, es un tema complejo.

Como físico, crees en dios, total o parcialmente (cada persona tiene su modo de creencia) ?

Depende de que Dios..., es una pregunta que nada tiene que ver con la física, más bien algo personal. Creo que la natureza al responder tan ordenada y ser evaluable mediante teorías físicas tan exactas debe existir algo detrás. Porque con pequeñas variaciones de las constantes fundamentales físicas la vida humana sería imposible, los planetas y el universo en general como le conocemos. Con cambios en variables cosmológicas mínimos el universo hubiera tomado un destino totalmente diferente. Puede ser el azar, quizás, pero es tantísimo azar...

Es verdad la teoría de los viajes a gran velocidad , que nuestro universo es como una hoja de papel doblada en forma de eses, y los viajes ultrarapidos se consiguen "atravesando " esas ese de la hoja de papel?

La forma del universo la expliqué en el otro sitio, no soy un experto en teoría de la relatividad general ni en cosmología. Si me preguntaraís de física nuclear, atómica, partículas, etc.., podrías ayudar más.
Como te conté con el ejemplo del globo, teóricamente se podría viajar de un punto a otro del universo a través de agujeros negros que comunicaría con un agujero blanco, sería como agujeros en el globo que estarían comunicados. Quizás esto también se podría generar de manera artificial...
Quizás nosotros mismos podríamos crear formas de atravesar el espacio tiempo de un sitio otro, e incluso deformar el espacio tiempo, para no viajar en linea recta, si no mediante un espacio deformado, donde ir del punto A-B si son 100km en linea recta fueran 2km en una geodésica, el espacio tiempo se deforma con un objeto masivo. De todas formas no soy experto en este tema y es lo que te puedo contar.
Todo esto son teorías, existen miles de teorías, muchas de ellas inviables cuando intentan demostrarse, una cosa es matemáticamente, donde todo es perfecto, bonito y funciona. Otra hacer un experimento donde funcione y otra ya sería el paso de la ingeniería adaptarla para hacerla funcionar.
Por ejemplo la teoría de la relatividad:
-Propuesta por Alber Einstein
-Demostrada por la precesión del perihelio de Mercurio
-Utilizada en GPS, centrales nucleares, cualquier cálculo físico que involucre altas energías, etc...

[daryo]

¿de donde sale la materia?
gracias de antemano

[programatrix]

¿de donde sale la materia?

De la energía, materia y energía son conceptos similares. La masa en reposo de las partículas de hecho se miden en unidades de electrón voltio y sus múltiplos eV,KeV, MeV, GeV, etc.. Además cualquier par de fotones con suficiente energía podría generar cualquier tipo de materia. El fotón es una partícula de pura energía y pura energía significa que en reposo tiene masa cero y solo dispone de energía cinética. Por disponer de masa=0, puede ir a la velocidad de la luz en el vacio. El proceso inverso también existe, positrón+electrón nos dan dos (o más) fotones y dos fotones nos pueden dar un electrón y positrón (o más partículas si se cumplen ciertas leyes). También un solo fotón en la presencia de un nucleo atómico nos puede dar electrones.
Los fotones, no se consideraría materia (al menos en el sentido de tener masa, formar estructuras físicas ,etc.. aunque a cualquier partícula del tipo que sea es físicamente llamada materia), la materia en este sentido se considera a los bariones (protones, neutrones, piones, etc..) y leptones (electrón, positrón, neutrinos muhon, etc..).

Otra opción de crear materia es mediante el principio de incertidumbre de Heisenberg. Este proceso implica que durante un periodo de tiempo muy corto puede crearse un par partícula antipartícula, son llamadas fluctuaciones de vacio. Si la partícula vive un tiempo de 10^-20s, habría aparecido un positron y un electrón de la nada. Una cosa curiosa es que estas partículas se crean en pares y al estar cerca de los agujeros negros una puede quedar atrapada y la otra no. Creandose materia de la nada, es la llamada Radiación de Hawking. Una forma de crear materia de la nada. Aunque realmente la materia del universo no cambiaría pues la otra partícula pasaría a estar dentro del agujero negro

Más filosófico es donde viene la materia en general, esta materia viene de la energía del Big Bang, en un principio como he contado anteriormente lo del globo, el espacio tiempo era muy pequeño y esa energía estaba en un espacio muy pequeño, con la expansión continua del universo se fue formando el universo actual. Prueba del Big Bang es la radiación de fondo de microondas. También es importante señalar que la energía del universo es constante y que su desorden (entropía) aumentan. Es decir la energía del Big Bang es la que existe en el universo, ahora y siempre.

Finalmente, preguntas filosóficas sobre de donde sale esa energía, o de donde vino el Big Bang, etc.., no corresponden al a física pues la física existe cuando se crea el espacio y el tiempo en el Big Bang todo lo demás no existe...

[daryo]

muy interesante
es decir que se puede crear materia con luz. leere sobre el tema.

[programatrix]

Luz propiamente dicha no. La luz tiene una energía extremadamente baja para crear partículas. Un fotón de luz tiene una energía de 2-3eV si no me equivoco mucho. Y un electrón serían 511000eV, por lo tanto con luz no se podría. Con luz sin embargo se puede mediante efecto fotoeléctrico arrancar de ciertos materiales electrones. Para producir de dos fotones materia necesitas altas energías. Estas energías serían por ejemplo de transiciones nucleares. O mediante un proceso de frenado de electrones, o como conocemos los físicos, bremsstrahlung, al frenarse los electrones estos radian fotones, que dependiendo la energía del electrón pueden ser de mayor o menor energía.
Te dejo un poco de referencia   :
https://es.wikipedia.org/wiki/Creaci%C3%B3n_de_masa

https://es.wikipedia.org/wiki/Creaci%C3%B3n_de_pares

Este segundo proceso, la creación de pares sucede por un único fotón con suficiente energía al interaccionar con la materia.

[Gambinoh]

Yo tengo una pregunta un poco ingenua...

¿No es la química una forma de física aplicada y más experimental? Me refiero a que no parece haber una barrera tan clara entre ambas disciplinas, diría que todo fenómeno químico está abarcado por la física, es como si los físicos se quedaran más en la teoría.

[programatrix]

¿No es la química una forma de física aplicada y más experimental?

Ninguna pregunta es ingenua 
Te comento, la química tiene un ámbito de aplicación diferente a la física. Aunque hunde sus raizes en la física, como otras muchas disciplinas. Si fijamos escalas de tamaño, podemos empezar por la célula que tienen tamaño del orden de las micras. Para irnos a las macromoléculas bilógicas, que siendo proteinas dependerían su forma en que se plegaran. Pues hay de una estructura primaria a tercera o cuaternaria el tamaño varía mucho. Todo eso, a parte de elementos que no tienen que ver con la vida sería parte del estudio de la química y la biología en exclusiva.
Luego como se unen esos átomos, como forman los enlaces, que ya son del orden tamaño de varios Amstrong se encarga la física. También la química, pero las teorías más fundamentales están hechas por físicos. Aunque la química cuántica es una asignatura para cualquier químico, que segun tengo entendido muchos que se meten a una química más teórica llegan ahí sin saber matemáticas y se les cae el mundo encima jajja
Ahora bien, ¿De se encarga la física?, pues de lo más pequeño. La física se encarga de lo que sucede dentro del átomo, del nucleo y de las partículas, algo que la química en absoluto estudia. Cuando tenemos una reacción química los átomos no cambian, no se transmutan, solo cambian de lugar. Por ejemplo:
CH4+3O2->CO2+4H2O

Los átomos solo han cambiado de lugar, no han cambiado su estructura, siguen siendo los mismos elementos pero de forma distinta. De eso se encarga la química. También de estudiar macromoléculas, propiedades de ciertos materiales, etc.., pero sobre todo propiedades de reacción, no propiedades tan físicas (que también).

La física, en el entorno de la materia, es más, más pequeño, como te he dicho, átomos, lo que sucede en su interior, nucleos atómicos y partículas subatómicas.
Son ámbitos diferentes que a niveles de escala pueden solapar, pero son absolutamente distinto por tamaño y aplicación. Además la química solo se encarga de los elementos, pero la física, se encarga del estado sólido, atmósfera, electrónica, termodinámica, tierra (terremonotos, etc..), teórica, óptica, informática, energías, astrofísica etc... La física es mucho más que estudiar el comportamiento de la materia, hay una rama de ello, por supuesto, pero por lo general son niveles más pequeños de los que la química estudia.