En física clásica, sumar velocidades es pan comido. Si un Mustang 🐎 va a 100 km/h y lanza una pelota hacia adelante a 20 km/h (respecto al coche), alguien que esté parado verá la pelota a 120 km/h. Fácil, ¿no? Pero cuando Einstein entró en escena, se acabaron estas sumas tan cómodas.

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¿Por qué no se suman velocidades normalmente?

La relatividad especial nos obliga a usar otra fórmula cuando nos acercamos a velocidades cercanas a la luz:

$$ u = \frac{u' + v}{1 + \frac{u'v}{c^2}} $$

• \(u\) es la velocidad resultante, medida desde el sistema de referencia "fijo".
• \(u'\) es la velocidad del objeto en el sistema en movimiento.
• \(v\) es la velocidad del sistema en movimiento respecto al fijo.
• \(c\) es la velocidad de la luz (299,792,458 m/s).

Esta fórmula garantiza que nunca se supere la velocidad de la luz, manteniendo la coherencia del universo (¡menos mal!).

Por ejemplo, si una nave espacial viaja a \(0.8c\) y lanza hacia adelante una sonda a \(0.7c\) respecto a ella, la velocidad medida desde afuera NO será \(1.5c\). Será:

$$ u = \frac{0.7c + 0.8c}{1 + \frac{(0.7c)(0.8c)}{c^2}} = \frac{1.5c}{1 + 0.56} \approx 0.96c $$

Rápido, sí. Más rápido que la luz, ¡jamás!

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La paradoja de la escalera 🪜🏠

Esta lógica relativista da lugar a situaciones divertidísimas y algo desconcertantes, como la "paradoja de la escalera" (también conocida como la "paradoja del granero").

Imagina una escalera demasiado larga para caber dentro de tu garaje. Normalmente, imposible meterla, ¿verdad? Pero ahora haz que la escalera viaje a gran velocidad hacia el garaje (sí, una escalera veloz: cosas de físicos locos).

1. Preparando el escenario

Imagina dos relojes perfectamente sincronizados. Ahora coloca uno en una nave espacial que viaja a gran velocidad y deja el otro en la Tierra. Al reencontrarse, descubrirás algo increíble: los relojes ya no marcan la misma hora. ¿Cómo puede ser esto posible? La respuesta está en la relatividad de la simultaneidad.

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2. Relatividad de la simultaneidad: ¿qué significa "ahora"?

Dos observadores moviéndose uno respecto del otro no están de acuerdo en si dos sucesos ocurren "al mismo tiempo". Lo que es simultáneo para uno, puede no serlo para otro, debido a las transformaciones de Lorentz.

Recordatorio matemático (Transformaciones de Lorentz): $$ t = \gamma\bigl(t_0 + v x_0/c^2\bigr), \quad x = \gamma\bigl(x_0 + v t_0\bigr) \\[4pt] \text{donde} \quad \gamma = 1/\sqrt{1 - v^2/c^2} $$

Si te interesa la matemática detrás de estas transformaciones, revisa El invariante espacio-tiempo: de Minkowski a 𝐸² = 𝑝²𝑐² + 𝑚²𝑐⁴.

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3. Dilatación del tiempo: el tiempo depende de la velocidad

Históricamente, en 1971 Joseph Hafele y Richard Keating giraron relojes atómicos alrededor del mundo en aviones y confirmaron in situ la dilatación predicha por Einstein. Compararon los relojes que volaron con otros que permanecieron en tierra, y encontraron que habían transcurrido diferentes intervalos de tiempo, tal como predice la teoría de la relatividad especial.

La duración de un intervalo temporal depende del movimiento del observador que lo mide. Matemáticamente: