Uno de
los pilares de la física moderna ha sido la teoría de la relatividad propuesta
por Albert Einstein, la cual transformó la perspectiva de los conceptos espacio
y tiempo, los cuales “dejaron de ser absolutos y pasaron a ser cantidades
físicas variables que dependen del marco de referencia utilizado para medirlas,
se convirtieron, en este sentido, en cantidades relativas” (Morones, 2006,
p.26)
A
partir de esta se afirmó principalmente que las leyes de la física son iguales
para todos los sistemas de referencia inerciales y que la velocidad de la luz
en el vacío es la misma en todos los marcos de referencia inercial.
Estas
propuestas tienen implicaciones de enorme trascendencia, ya que de acuerdo con
Young & Freedman (2013) “los sucesos que son simultáneos para un observador
quizás no lo sean para otro y cuando dos observadores que se desplazan uno con
respecto al otro miden un intervalo de tiempo quizás no tengan los mismos
resultados” (p. 1223)
Es
allí donde la relatividad se refleja no solamente permitiendo afirmar que la
simultaneidad no es un concepto absoluto, sino que también demuestra su vínculo
en el fenómeno de la dilatación temporal donde es el tiempo mismo el que se ve
pasar más lentamente al ser relativo desde un punto de vista muy concreto y
objetivo.
Así teoría de la relatividad hace referencia a la
simultaneidad del tiempo como aquella que rompe con la concepción tradicional que
visualiza al tiempo como algo estático e independiente. En este caso, el tiempo
es relativo por lo que depende de la velocidad y de la gravedad, precisamente
eso explica la razón por la cual a mayor velocidad los intervalos transcurren
lentamente y la causa de la diferencia de tiempo existente entre cuerpos
ubicados sobre la superficie terrestre respecto con otros que están a una
altura superior.
Lo
anterior , más allá de generar un cambio en muchas ideas científicas trajo
consigo grandes aportes , entre los cuales destaca la aceptación de la
ocurrencia del fenómeno curvatura tejido espacio-tiempo en el universo ,
causante de la atracción gravitacional que ejercen los cuerpos celestes como
planetas y estrellas.
Asimismo , la simultaneidad y la dilatación del tiempo a permitido la invención tecnológica ya que posibilita el funcionamiento de dispositivos , como por ejemplo los GPS, que son aprovechados en funciones de ubicación geográfica fundamentales en aeronáutica , astronomía , geología e incluso en la vida cotidiana.
Claramente
, la teoría de la relatividad es muy importante para la Ciencia, por
consiguiente es necesario fomentarla desde la educación de una manera efectiva
para generar un aprendizaje significativo que en el futuro pueda convertirse en
nuevos descubrimientos que inclusive superen lo descubierto por Einstein.
Partiendo de lo expuesto anteriormente, en el presente trabajo se expone de forma concisa y explicativa el fenómeno de la simultaneidad y la dilatación del tiempo, tomando en cuenta a la vez sus aplicaciones e importancia en el desarrollo de la ciencia actual así como mostrar una propuesta didáctica que permita el abordaje de este tipo de temática en la enseñanza de las ciencias o de la física en específico que permita al estudiantado de secundaria la comprensión del mismo.
La simultaneidad está implícita en la medición
de tiempos o de intervalos de tiempo específicos. Partiendo de ello, en un
determinado marco de referencia, un suceso siempre representará un
acontecimiento con posición y tiempo definidos. Sin embargo, el problema
fundamental de la medición de intervalos de tiempo radica en que: “en general,
dos sucesos que son simultáneos en un marco de referencia no lo son en un segundo
marco que se mueve con respecto al primero, aun cuando sean marcos inerciales” (Young
& Freedman, 2013, p. 1227)
De
esta forma, es posible que dos acontecimientos que para un observador son
simultáneos no lo son para otros que se mueven con respecto al él, además si
entre ambos sucesos no existe una relación de causa y efecto, el orden en que
ocurren puede ser distinto para los observadores.
Figura 1: Representación de la simultaneidad.
Recuperado de
Se
dice que dos eventos ocurren de manera simultánea si tienen lugar exactamente
al mismo tiempo y en un mismo punto en el espacio. Pero si los eventos ocurren en
lugares separados es más difícil comprobarlo. Debido a que la luz viaja a rapidez
finita, una persona al ver dos eventos debe calcular de vuelta para determinar cuándo
ocurrieron en realidad. “Por ejemplo, si se observa que dos eventos ocurren al
mismo tiempo, pero en realidad uno tuvo lugar más lejos del observador que el
otro, entonces el más distante debió haber ocurrido antes, y los dos eventos no
fueron simultáneos” (Giancoli,2006, p. 732)
Por lo
tanto, el que dos sucesos en diferentes ubicaciones en determinado eje puedan
ser considerados simultáneos o no, depende del estado de movimiento del
observador y de su sistema de referencia; así, el intervalo de tiempo entre dos
sucesos puede ser diferente en distintos marcos. Por lo tanto, la simultaneidad
no es absoluta, ya que de acuerdo con el principio de relatividad, cada
observador está en lo correcto desde su propio marco de referencia inercial.
La
formulación matemática de carácter relativo de la simultaneidad, se puede
obtener de la transformación de Lorentz. En efecto: Sean dos sucesos que
ocurren en x1 y x2, en el instante t para un observador
S. Para el observador S’ ocurren en x´1 y x´2 y en el
instante t´1 y t´2
, por lo tanto el intervalo de tiempo de tiempo medido por S´ es:
Es
decir, sólo será también simultáneos para él si ocurren en el mismo punto X1
= X2. (Burbano,
Burbano, & García, 2003, p. 662)
En el
siguiente video se muestra una descripción breve del fenómeno de simultaneidad:
Dilatación del Tiempo:
La
dilatación del tiempo corresponde a un fenómeno donde un intervalo de tiempo medido
por un observador en reposo en un determinado sistema de referencia inercial y por
un observador en un segundo marco que se desplaza velocidad constante respecto
al que se encuentra en reposo, se obtiene que el tiempo que mide el observador
en reposo es más lento para quien que se encuentra en movimiento, es decir, los
observadores perciben que cualquier reloj marcha más despacio cuando se
desplaza con respecto a ellos, interpretando que el tiempo se ha ralentizado
para otros relojes, sin embargo sólo es verdadero en el contexto del sistema de
referencia inercial del observador.
Así
pues, si una nave espacial muy rápida pasa frente a nosotros, observaremos que
cada uno de los relojes de la nave avanza más lentamente que nuestros propios relojes.
Sin embargo, la gente de la nave puede considerar que son ellos quienes están
en reposo y nosotros quienes nos movemos, y observarían que nuestros relojes
los que avanzan más lentamente que los suyos (Tipler & Mosca, 2017, p. 5)
Los
observadores siempre percibirán que cualquier reloj marcha más despacio si se
desplaza con respecto a ellos, por lo tanto el tiempo de un reloj en movimiento
es mayor que el tiempo del mismo reloj visto por el observador que se mueve con
él.
En un
marco de referencia específico, al ocurrir dos sucesos en un mismo punto del
espacio. El intervalo de tiempo entre estos sucesos, medido por un observador
en reposo (en un marco de referencia en reposo) es delta 0. Luego, un observador en un
segundo marco que se desplaza con rapidez constante con respecto al marco de referencia en reposo
medirá un intervalo de tiempo ∆t (Young & Freedman, 2013, p.1229). Por lo tanto la
dilatación del tiempo corresponde a:
Es de
esta mamera como se expresa este fenómeno, donde los relojes en movimiento que
se observan siempre se atrasan respecto a los nuestros.
En el
siguiente video se detalla la forma en que se llega a este planteamiento:
Una de
las aplicaciones modernas más importantes de la teoría de la relatividad, que
en la actualidad es muy usada por casi más de la mitad de los seres humanos es
el GPS o el llamado sistema de posicionamiento global.
El GPS
es un dispositivo que da las coordenadas de cualquier posición determinada, es
decir la longitud, latitud y altitud, con una precisión de pocos metros. El
sistema consiste en una “constelación de 24 satélites, cada uno provisto de un
reloj atómico y de una emisora que emite señales horarias que pueden ser
captadas por cualquier receptor GPS con el que esté en visión directa” (Mosca,
et al, 2015, p. 1153)
Las
“diferencias en los tiempos de recepción de las señales procedentes de
distintos satélites, junto con el conocimiento de la posición de cada uno de
ellos, permiten calcular al receptor cuáles son sus coordenadas de posición”
(Mosca, et al, 2015, p. 1153) En la actualidad gracias a los GPS, la humanidad cuenta con aplicaciones como Waze un sistema de tráfico vial que se encarga de buscar las mejores rutas que los conductores necesitan para llegar a un destino determinado.
Si los
GPS no tuvieran en cuenta la relatividad del tiempo, debida a la “velocidad de
los satélites y a su altura en el campo gravitacional de la Tierra, los relojes
atómicos de su interior perderían la calibración, al cabo de un día,
acumularían un error de kilómetros y dejarían de ser útiles” (Miramontes & Volke, 2013, p.81)
Figura 3. Aplicación de la simultaneidad y la dilatación del tiempo los GPS
Además,
en las naves espaciales de la NASA que viajan a largas distancias de la
gravedad terrestre, juega un papel importante en su trayectoria la dilatación
del tiempo, ya que los diversos sistemas o equipos con los cuentan son
calibrados para poder funcionar con precisión tomando en cuenta este principio
para coordinar las diferencias de tiempo en el espacio.
El
físico Albert Einstein presenta el 25 de noviembre de 1915 la famosa Teoría de
la Relatividad , considerada por muchos expertos causante de una revolución
científica cuyos efectos dieron origen a la construcción de ideas nuevas , la
mayoría de estas alejadas del razonamiento lógico manejado en aquella época.
Según
(Tiberius, 2005) entre los postulados de la Teoría de la Relatividad está la
simultaneidad y dilatación del tiempo, en la cual se explica que a la velocidad
de la luz , el tiempo transcurre lentamente.Por lo tanto , se visualiza el
tiempo como un aspecto relativo que varía en diversos puntos del universo.
Lo
anterior, fue un hallazgo que rompió la idea infundada de que el tiempo es
estático y a la vez generó muchas incógnitas sobre el espacio
exterior.Afortunadamente , en la misma teoría, Einstein brinda la respuesta a varios planteamientos,
la cual llamó ''curvatura del tejido espacio-tiempo'' , creada por cuerpos de
grandes masas tales como : planetas y estrellas.
Ciertamente,
el Sol es un claro ejemplo de un cuerpo celeste que produce dicha curvatura
responsable de que el planeta Tierra sea atraído. Además, la gravedad influye
en el tiempo , ya que este último cambia conforme mayor sea la altura , cosa
que se manifiesta en la invención del GPS en donde cobra importancia
sincronizar el tiempo de los satélites con el tiempo en la superficie terrestre.
Figura 4 . Curvatura del tejido espacio-tiempo generada por el planeta Tierra sobre la Luna.
La
simultaneidad y dilatación del tiempo fue divulgada hace 100 años ,a lo largo de este períodose han realizado numerosos experimentos que
confirman su existencia y prueban no sólo la veracidad de lo predicho por
Albert Einstein, si no que también han posibilitado la comprensión de fenómenos
complejos que se dan en el universo.
Para explicar este tema a los
estudiantes se realizara la siguiente propuesta.
1) Primeramente al iniciar la clase, se realiza una
lluvia de ideas sobre los conocimientos o posibles conocimientos que los
estudiantes tienen del tema en estudio. 2) Luego se les va a introducir el tema exponiéndoles los conceptos teóricos claves, es decir: Simultaneidad y
dilatación del tiempo.
3) En la actualidad, es de suma importancia introducir
el uso de la tecnología en el proceso de enseñanza-aprendizaje, de igual forma se
sabe que por lo general la mayoría de las personas aprenden de mejor manera
observando, que simplemente escuchando a una persona , en este caso el
profesor, por lo cual se hará uso de la herramienta YouTube, en la cual se les
mostrara un video ,relacionado con la temática en estudio , el mismo lleva como nombre: La teoría de la relatividad y dilatación
del tiempo.
4) Como actividad de cierre, se
realiza la siguiente práctica: Se lanza una interrogante generadora, que deben resolver; ¿Qué significa dos eventos
simultáneos?
5) Imaginaremos
un experimento mental a partir del siguiente planteamiento: Usted está en reposo el centro de una gran planicie, en
extremos opuestos caen dos relámpagos, ¿cómo saber si cayeron al mismo tiempo,
es decir, fueron simultáneos? A partir de allí, los estudiantes en conjunto con el docente expondrán diferentes aspectos teóricos y prácticos que les permitan explicar o evidenciar cómo sucede dicho fenómeno.
Con este ejercicio lo que se pretende es crear una
participación activa y dinámica y de esta manera tratar de que los estudiantes puedan llegar conclusiones efectivas respecto al tema.
