1. De la sirena al cosmos: ¿Qué mide el Doppler?

En acústica, oímos la típica subida de tono cuando una ambulancia se acerca y su bajada cuando se aleja.   En relatividad, el Efecto Doppler altera la luz, no el sonido, y la fórmula clásica ya no sirve.

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2. Doppler longitudinal: frecuencia y longitud de onda

Para un emisor y un receptor que se alejan o acercan a lo largo de la línea de visión,

$$ \frac{\lambda_{\text{obs}}}{\lambda_{\text{em}}} = \sqrt{\frac{1 + \beta}{1 - \beta}}, \qquad \beta=\frac{v}{c}. $$

Expresado en frecuencias:

$$ \nu_{\text{obs}} = \nu_{\text{em}}\, \sqrt{\frac{1 - \beta}{1 + \beta}}. $$

• Si \(v>0\) (alejándose): corrimiento al rojo (\(\lambda_{\text{obs}}>\lambda_{\text{em}}\)).
• Si \(v<0\) (acercándose): corrimiento al azul (\(\lambda_{\text{obs}}<\lambda_{\text{em}}\)).

Ejemplo astronómico:   Un planeta orbitando su estrella a \(30\ \text{km/s}\) causa un corrimiento en la línea de absorción de hierro de \(\sim 0.01\ \text{nm}\), suficiente para detectarlo.

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3. Aberración de la luz: cambio de rumbo aparente

La aberración desplaza el ángulo aparente \(\theta\) que forma un rayo con la dirección de movimiento.   Si \(\theta\) lo mide la fuente y \(\theta'\) el observador:

$$ \cos\theta' = \frac{\cos\theta - \beta}     {1 - \beta\,\cos\theta}. $$

• Para \(\theta=90^\circ\): las estrellas se ven “arrastradas” hacia la dirección de la velocidad terrestre, con un máximo de \(\theta' \approx \arctan(v/c) \approx 20.5''\).

Anécdota histórica:   James Bradley (1727) buscaba paralaje estelar, pero descubrió la aberración: primera prueba de que la Tierra se mueve.

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4. Doppler transversal y el efecto tiempo-de-viaje

Cuando la fuente se mueve perpendicular a la línea de visión (\(\theta = 90^\circ\)) aún hay corrimiento:

$$ \nu_{\text{obs}} = \frac{\nu_{\text{em}}}{\gamma}, \qquad \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^{2}}}. $$

La distancia instantánea no cambia, pero el tiempo entre crestas sí, debido a la dilatación temporal.

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5. Aplicaciones cotidianas y modernas

🚗 Dato automotriz: Un radar policial a \(10\ \text{GHz}\) detecta cambios de décimas de hertz, bastantes para determinar tu velocidad con ±1 km/h.

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6. Preguntas frecuentes rápidas

¿Puedo notar Doppler óptico en la vida diaria sin equipo especializado?     No; solo en astronomía o en laboratorios con fuentes ultrarrápidas.

¿La aberración afecta la navegación estelar?     Sí. Los astrónomos corrigen ese desplazamiento de 20″ de arco.

¿Sirve el Doppler para medir la velocidad de partículas?     En aceleradores se usan láseres y espectroscopía Doppler para calibrar haces a (0.99c).

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Conclusión

El universo no solo canta con corrimientos de frecuencia: también mueve la luz en tu campo visual.   El Doppler relativista y la aberración son esenciales para descodificar desde radares hasta telescopios.   ¡Nunca más confíes en tu intuición clásica!

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:

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

• \(\nu\) es la velocidad resultante.
• \(u\) y \(v\) son las velocidades individuales.
• \(c\) 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:

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

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).

Según la relatividad, para un observador fijo en el garaje, la escalera se contrae debido a su alta velocidad. ¡Así que, brevemente, cabe entera! Sin embargo, desde la perspectiva de alguien que viaja junto a la escalera, ¡es el garaje el que se ha encogido más aún!

Entonces, ¿quién tiene razón? La solución radica en entender que la simultaneidad también es relativa. Los eventos que parecen simultáneos para uno ("ambas puertas cerradas al mismo tiempo") no lo son para otro. Ambos tienen razón desde su marco de referencia.

Para verlo un poco más al detalle, definamos dos eventos:

• A: La puerta delantera se cierra, en la posición \(x=0\), en el tiempo \(t_A\).
• B: La puerta trasera se cierra, en la posición \(x=L_{\rm garage}\), en el mismo tiempo \(t_B = t_A\) (simultáneos para el garajista).

En el marco de la escalera estas dos puertas no cierran simultáneamente:

$$ \Delta t' = t'_B - t'_A = \gamma\bigl(\Delta t - \tfrac{v\Delta x}{c^2}\bigr) \\[4pt] = \gamma \bigl(0 - \frac{vL_{\rm garage}}{c^2}\bigr) \\[4pt] =-\gamma\frac{vL_{\rm garage}}{c^2} \\[4pt] <0 $$

Es decir, en el sistema de la escalera el evento B (la puerta trasera) ocurre antes que A (la puerta delantera).

• Primero la “nariz” de la escalera choca contra la puerta trasera (B).
• Solo más tarde la cola llega a la puerta delantera (A).

Nunca existe un instante en que ambas puertas encierren a la vez toda la escalera desde ese punto de vista. Por eso, en su propio marco, la escalera jamás cabe enteramente dentro del garaje.

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Conclusión (tranqui, que no duele)

En relatividad, muchas cosas que parecen absurdas tienen perfecto sentido una vez entendido el contexto matemático. Y recuerda: si llevas una escalera a casi la velocidad de la luz, consulta primero con tu aseguradora 🥸.