27/5/13

Sobre la teoría de la relatividad - Einstein - 11. La transformación de Lorentz



11.    La transformación de Lorentz

Las consideraciones hechas en los tres últimos epígra­fes nos muestran que la aparente incompatibilidad de la ley de propagación de la luz con el principio de relatividad en §7 está deducida a través de un razonamiento que tomaba a préstamo de la Mecánica clásica dos hipótesis injustificadas; estas hipótesis son:
1.          El intervalo temporal entre dos sucesos es independiente del estado de movimiento del cuerpo de referencia.                                                                
2.          El   intervalo  espacial  entre  dos  puntos  de un cuerpo rígido  es  independiente del  estado de movimiento del cuerpo de referencia.


Si eliminamos estas dos hipótesis, desaparece el dilema de §7, porque el teorema de adición de velocida­des deducido en §6 pierde su validez. Ante nosotros surge la posibilidad de que la ley de la propagación de la luz en el vacío sea compatible con el principio de relatividad. Llegamos así a la pregunta: ¿cómo hay que modificar el razonamiento de §6 para eliminar la apa­rente contradicción entre estos dos resultados funda­mentales de la experiencia? Esta cuestión conduce a otra de índole general. En el razonamiento de §6 apa­recen lugares y tiempos con relación al tren y con rela­ción a las vías. ¿Cómo se hallan el lugar y el tiempo de un suceso con relación al tren cuando se conocen el lugar y el tiempo del suceso con respecto a las vías? ¿Esta pregunta tiene alguna respuesta de acuerdo con la cual la ley de la propagación en el vacío no contra­diga al principio de relatividad? O expresado de otro modo: ¿cabe hallar alguna relación entre las posiciones y tiempos de los distintos sucesos con relación a ambos cuerpos de referencia, de manera que todo rayo de luz tenga la velocidad de propagación c respecto a las vías y respecto al tren? Esta pregunta conduce a una res­puesta muy determinada y afirmativa, a una ley de transformación muy precisa para las magnitudes espa­cio-temporales de un suceso al pasar de un cuerpo de referencia a otro.
Antes de entrar en ello, intercalemos la siguiente consideración. Hasta ahora solamente hemos hablado de sucesos que se producían a lo largo de la vía, la cual desempeñaba la función matemática de una recta. Pero, siguiendo lo indicado en el epígrafe 2, cabe imaginar que este cuerpo de referencia se prolonga hacia los lados y hacia arriba por medio de un andamiaje de varillas, de manera que cualquier suceso, ocurra donde ocurra, puede localizarse respecto a ese andamiaje. Análogamente, es posible imaginar que el tren que viaja con velocidad v se prolonga por todo el espacio, de manera que cualquier suceso, por lejano que esté, también pueda localizarse respecto al segundo anda­mio. Sin incurrir en defecto teórico, podemos prescin­dir del hecho de que en realidad esos andamios se destrozarían uno contra el otro debido a la impenetra­bilidad de los cuerpos sólidos. En cada uno de estos andamios imaginamos que se erigen tres paredes mu­tuamente perpendiculares que denominamos «planos coordenados» («sistema de coordenadas»). Al terra­plén le corresponde entonces un sistema de coordena­das K, y al tren otro K'. Cualquier suceso, donde­quiera que ocurra, viene fijado espacialmente respecto a K por las tres perpendiculares x, y, z a los planos coordenados, y temporalmente por un valor t. Ese mismo suceso viene fijado espacio-temporalmente res­pecto a K' por valores correspondientes x', y', z', t', que, como es natural, no coinciden con x, y, z, t. Ya explicamos antes con detalle cómo interpretar estas magnitudes como resultados de mediciones físicas.
Es evidente que el problema que tenemos planteado se puede formular exactamente de la manera siguiente: Dadas las cantidades x, y, z, t de un suceso respecto a K, ¿cuáles son los valores x',y',z',t' del mismo suceso respecto a K' ? Las relaciones hay que elegirlas de tal modo que satisfagan la ley de propagación de la luz en el vacío para uno y el mismo rayo de luz (y además para cualquier rayo de luz) respecto a K y K'. Para la orientación espacial relativa indicada en el dibujo de la figura 2, el problema queda resuelto por las ecuacio­nes:


Este sistema de ecuaciones se designa con el nombre de «transformación de Lorentz[1]».



Ahora bien, si en lugar de la ley de propagación de la luz hubiésemos tomado como base los supuestos implí­citos en la vieja mecánica, relativos al carácter absoluto de los tiempos y las longitudes, en vez de las anteriores ecuaciones de transformación habríamos obtenido estas otras:
 x' = x — vt
 y'  = y
 z' = z
 t' = t,

sistema que a menudo se denomina «transformación de Galileo». La transformación de Galileo se obtiene de la de Lorentz igualando en ésta la velocidad de la luz c a un valor infinitamente grande.
El siguiente ejemplo muestra claramente que, según la transformación de Lorentz, la ley de propagación de la luz en el vacío se cumple tanto respecto al cuerpo de referencia K como respecto al cuerpo de referencia K'. Supongamos que se envía una señal luminosa a lo largo del eje x positivo, propagándose la excitación luminosa según la ecuación
x = ct,
es decir, con velocidad c. De acuerdo con las ecuaciones de la transformación de Lorentz, esta sencilla rela­ción entre x y t determina una relación entre x' y t'. En efecto, sustituyendo x por el valor ct en las ecuaciones primera y cuarta de la transformación de Lorentz obte­nemos:


de donde, por división, resulta inmediatamente
x' = ct'.

La propagación de la luz, referida al sistema K', se produce según esta ecuación. Se comprueba, por tanto, que la velocidad de propagación es también igual a c respecto al cuerpo de referencia K'; y análogamente para rayos de luz que se propaguen en cualquier otra dirección. Lo cual, naturalmente, no es de extrañar, porque las ecuaciones de la transformación de Lorentz están derivadas con este criterio.


[1] En el Apéndice se da una derivación sencilla de la transforma­ción de Lorentz


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