Física Relativista: La Teoría de la Relatividad

La teoría de la relatividad establece los fundamentos de comparación de las medidas de las magnitudes físicas realizadas en diferentes sistemas de referencia y su utilización se hace imprescindible a elevadas velocidades, ya que sus valores discrepan de las predicciones de la física clásica. En el plano teórico, las leyes de la mecánica de Newton eran las mismas para observadores que se mueven unos con respecto a otros con movimiento rectilíneo uniforme (MRU), mientras que para Maxwell se modificaban al cambiar de sistema de referencia. En el experimento de Michelson-Morley, la velocidad de la luz en el vacío no se veía afectada por el movimiento del observador.

Características de la Imagen

• Tamaño: mayor o menor que el objeto
• Orientación: directa o invertida en relación al objeto
• Carácter: real o virtual

La imagen real es el resultado de la convergencia de rayos a la salida del sistema óptico; esta imagen no la percibimos con la vista, pero se puede registrar colocando una pantalla en el lugar donde convergen los rayos. Las imágenes virtuales resultan de la intersección de las prolongaciones de los rayos y no pueden proyectarse en la pantalla; para nuestro sentido de la vista, los rayos parecen venir desde un punto por el que no han pasado realmente.

Postulados de la Relatividad Especial:

1. Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores inerciales.
2. La velocidad de la luz en el vacío es independiente del movimiento relativo de la fuente luminosa y del observador inercial.

El primer postulado es una extensión del principio clásico de relatividad de Galileo para incluir todas las leyes de la naturaleza, no solo de la mecánica. La imposibilidad de saber si un sistema está en reposo o en MRU se basa en experiencias mecánicas, electromagnetismo y ópticas. El segundo postulado establece que la velocidad de la luz en el vacío es la velocidad máxima teórica que se puede alcanzar; dos fenómenos que son simultáneos para un observador no lo son en el mismo instante para otro que se mueva por MRU respecto al primero.

Consecuencias

Contradicción de la longitud y dilatación del tiempo:

1. Fitzgerald-Lorentz: La longitud del segmento orientado en la dirección de movimiento relativo de dos sistemas de referencia inerciales es máxima en el sistema en el que está en reposo.
2. El intervalo de tiempo que dura un fenómeno es mínimo en el sistema de referencia en el que el lugar donde ocurre el fenómeno está en reposo.

La longitud se define como L = yL0 y el tiempo como t = yt0.

Variación de la Masa con la Velocidad:

La masa se redefine como m = ym0, donde m es la masa relativista y m0 es la masa del objeto medida en el sistema. Puesto que y > 1 y aumenta con la velocidad, resulta que la masa se incrementa con la velocidad v. Esta se llama masa inercial y se determina a partir de la relación entre fuerza y aceleración; la masa relativista es prácticamente la misma que la masa en reposo.

Equivalencia entre Masa y Energía:

La energía cinética relativista se expresa como E = mc² – m0c², donde E = m0c² se denomina energía en reposo y E = mc² es su energía total. Conclusiones:

1. Como la energía total es la suma de la energía en reposo más otras contribuciones energéticas, por el hecho de poseer masa en reposo, una partícula posee energía; la masa es una forma de energía, y E y m son dos aspectos de una misma realidad física. El principio de conservación de la masa-energía E = mc² es constante.
2. La energía total es constante; si hay una variación de la masa en reposo de un sistema m0, la energía cinética del sistema variará y viceversa. El proceso contrario ocurre en los aceleradores de partículas y momentos después del Big Bang.

Física Cuántica: Hipótesis de Planck

Surgió al tratar de interpretar la radiación del cuerpo negro, un material que absorbe y reemite toda la radiación electromagnética que le llega. Los resultados experimentales de la intensidad de la radiación que emite a diferentes longitudes de onda no se pueden explicar con la consideración clásica de que la radiación se emite de forma continua. Formuló que una radiación de una determinada frecuencia f no es absorbida o emitida por la materia de forma continua, sino en cantidades discretas e invisibles, llamados cuantos de energía de valor E = hf, donde h es la constante de Planck.

Efecto Fotoeléctrico:

Heinrich Hertz consistió en la emisión de electrones de una superficie metálica al incidir un haz de luz. La emisión de electrones se produce solo a partir de una determinada frecuencia f de la luz incidente, aunque la luz sea muy intensa, y que la emisión es instantánea. Einstein propuso que la energía de esta radiación se concentra en paquetes, los llamados fotones, en una cantidad de valor E = hf por fotón. Al incidir la luz sobre el metal, cada fotón interacciona con un electrón al que cede toda su energía hf; una parte de esta energía la emplea el electrón para romper sus ligaduras con la superficie metálica, que se denomina trabajo de extracción del metal W, y el resto de la energía, hf – W, aparece como energía cinética Ec = hf – W. Se deduce que f = W/h. Para detener los fotoelectrones se les aplica un voltaje o potencia de frenado Ec = |q|V_frenado.

Espectros Atómicos Discontinuos:

El modelo de capas o niveles energéticos fue capaz de dar una explicación satisfactoria a los espectros de la radiación emitida por el hidrógeno. Estos espectros están constituidos por una serie de líneas asociadas a las frecuencias para las que el átomo de hidrógeno emite radiación. Bohr las interpretó como los saltos entre distintos niveles de energía dentro del átomo por cesión o absorción de un fotón; la energía del fotón se iguala con la diferencia energética de los niveles entre los que se produce el salto.

Hipótesis de Broglie:

Recíprocamente a la luz, las partículas pueden tener propiedades ondulatorias. Asoció la onda de materia cuyas magnitudes características f y λ se relacionan con las propiedades de la partícula: λ = h/p. Ha sido demostrada experimentalmente al conseguir la difracción de electrones y otras partículas subatómicas. La dualidad onda-corpúsculo constituye un concepto básico en física cuántica.

Principio de Indeterminación de Heisenberg:

Es imposible determinar simultáneamente y con absoluta precisión la posición y el momento lineal de una partícula. El hecho de que un objeto en movimiento pueda considerarse como un grupo de ondas de materia en vez de una entidad localizada sugiere que debe existir un cierto límite a la hora de determinar con precisión su posición y otras propiedades moleculares: Δx · Δp > h/2. Para aumentar la precisión de las magnitudes, habrá que conocer con menor certeza la otra. Por el pequeño valor de h, la relación de incertidumbre es válida a escala macroscópica, la limitación se aprecia a nivel atómico. La incertidumbre se interpreta como la consecuencia de la imposibilidad de observar partículas microscópicas sin perturbarlas apreciablemente. El principio de incertidumbre encuentra una aplicación directa en el modelo atómico de la mecánica cuántica que asocia electrones a los orbitales, considerados como regiones del espacio en los que la probabilidad de encontrar al electrón es máxima.