Diferencia entre revisiones de «Paradoja de la escalera»

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La '''paradoja de la escalera''' (o "'''paradoja del poste de granero'''") es un [[experimento mental]] de [[Teoría de la relatividad especial|la relatividad especial]], desarrollado por Rindler (1961), a partir de las propias observaciones realizadas por [[Albert Einstein|Einstein]], y por [[Hendrik Antoon Lorentz|Lorentz]], relacionado con la [[paradoja de Ehrenfest]].
La '''paradoja de la escalera''' (o "'''paradoja del poste de granero'''") es un [[experimento mental]] de [[Teoría de la relatividad especial|la relatividad especial]], desarrollado por Rindler (1961), a partir de las propias observaciones realizadas por [[Albert Einstein|Einstein]], y por [[Hendrik Antoon Lorentz|Lorentz]], relacionado con la [[paradoja de Ehrenfest]].


Se trata de una escalera que viaja horizontalmente a una velocidad relativista (cercana a la velocidad de la luz, por ejemplo un valor del 90% o 0,9 ''c'') paralela al suelo, y, por tanto, sufre una [[Contracción de Lorentz|contracción de longitud de Lorentz]]. Si imagináramos que la escalera pasa a través de las puertas delanteras y traseras (abiertas) de un garaje o granero, cuyo espacio interno es inferior a la longitud de la escalera (longitud de descanso), por lo que si la escalera no se moviera no podría caber dentro.
Se trata de una escalera que viaja horizontalmente a una velocidad relativista (cercana a la velocidad de la luz, por ejemplo un valor del 90% o 0,9 ''c'') paralela al suelo, y, por tanto, sufre una [[Contracción de Lorentz|contracción de longitud de Lorentz]]. Si imagináramos que la escalera pasa a través de las puertas delanteras y traseras (abiertas) de un garaje o granero, cuyo espacio interno es inferior a la longitud de la escalera (longitud de descanso), por lo que si la escalera no se moviera no podría caber dentro.


Para un observador estacionario, debido a la [[Contracción de Lorentz|contracción]], la escalera móvil podría caber completamente dentro del edificio a medida que pasa. Sin embargo, desde el punto de vista de un observador que se mueve con la escalera, ésta no se contraerá, y es el edificio el que se [[Contracción de Lorentz|contraerá]] en una longitud aún menor. Esto es lo que se conoce como (parte de) la [[paradoja de Ehrenfest]]. Por lo tanto, la escalera no podrá caber dentro del edificio cuando lo atraviese. Esto plantea una aparente discrepancia entre las realidades de ambos observadores.
Para un observador estacionario, debido a la [[Contracción de Lorentz|contracción]], la escalera móvil podría caber completamente dentro del edificio a medida que pasa. Sin embargo, desde el punto de vista de un observador que se mueve con la escalera, ésta no se contraerá, y es el edificio el que se [[Contracción de Lorentz|contraerá]] en una longitud aún menor. Esto es lo que se conoce como (parte de) la [[paradoja de Ehrenfest]]. Por lo tanto, la escalera no podrá caber dentro del edificio cuando lo atraviese. Esto plantea una aparente discrepancia entre las realidades de ambos observadores.


Esta [[paradoja]], o aparente [[paradoja]], resulta de la errónea suposición de la existencia de una simultaneidad absoluta. Se dice que la escalera cabe en el garaje, si y solo si, ambos extremos pueden colocarse simultáneamente dentro del garaje. Esta [[paradoja]] puede resolverse cuando es considerada la [[Relatividad general|relatividad]], pues en la [[Relatividad general|relatividad]] la simultaneidad es relativa a cada observador, por lo que la respuesta a si la escalera cabe dentro del garaje también es relativa a dónde se sitúe el punto de vista u observador, es decir, de cada uno de ellos.
Esta [[paradoja]], o aparente [[paradoja]], resulta de la errónea suposición de la existencia de una simultaneidad absoluta. Se dice que la escalera cabe en el garaje, si y solo si, ambos extremos pueden colocarse simultáneamente dentro del garaje. Esta [[paradoja]] puede resolverse cuando es considerada la [[Teoría de la relatividad especial|relatividad]], pues en la [[Teoría de la relatividad especial|relatividad]] la simultaneidad es relativa a cada observador, por lo que la respuesta a si la escalera cabe dentro del garaje también es relativa a dónde se sitúe el punto de vista u observador, es decir, de cada uno de ellos.


== Paradoja ==
== Paradoja ==
La versión más simple de la [[paradoja]] implicaría un garaje con una puerta (delantera) y una puerta (trasera) abiertas, y una escalera que, cuando se considera en reposo con respecto al garaje sería demasiado larga para caber en su interior, y cuando se considera en movimiento para un observador externo, dado que viaja al 90% de la [[velocidad de la luz]] (''c'') sería [[Contracción de Lorentz|contraída]], lo suficiente como para caber dentro del garaje o granero, completamente, mientras se mueve. Es decir, cuando movemos la escalera a alta velocidad horizontal a través del garaje estacionario, la escalera sufre el efecto relativista de [[Contracción de Lorentz|contracción de longitud]] y se vuelve significativamente más corta debido a su alta velocidad. Como resultado, cuando la escalera pasa por el garaje, queda, durante un tiempo, completamente contenida dentro de él. Si quisiéramos, durante un breve instante podríamos cerrar simultáneamente ambas puertas para demostrar que la escalera encaja.
La versión más simple de la [[paradoja]] implicaría un garaje con una puerta (delantera) y una puerta (trasera) abiertas, y una escalera que, cuando se considera en reposo con respecto al garaje sería demasiado larga para caber en su interior, y cuando se considera en movimiento para un observador externo, dado que viaja al 90% de la [[velocidad de la luz]] (''c'') sería [[Contracción de Lorentz|contraída]], lo suficiente como para caber dentro del garaje o granero, completamente, mientras se mueve. Es decir, cuando movemos la escalera a alta velocidad horizontal a través del garaje estacionario, la escalera sufre el efecto relativista de [[Contracción de Lorentz|contracción de longitud]] y se vuelve significativamente más corta debido a su alta velocidad. Como resultado, cuando la escalera pasa por el garaje, queda, durante un tiempo, completamente contenida dentro de él. Si quisiéramos, durante un breve instante podríamos cerrar simultáneamente ambas puertas para demostrar que la escalera encaja.


Hasta ahora la aparente [[paradoja]] surge cuando consideramos la [[simetría]] de la situación.
Hasta ahora la aparente [[paradoja]] surge cuando consideramos la [[simetría]] de la situación.


En cambio, para un observador que se moviera con la escalera, viajaría también a velocidad constante en el [[sistema de referencia inercial]] de la escalera (estacionario) y sería observado desde el [[sistema de referencia inercial]] del garaje. Para este observador (viajando con o sobre la escalera) también ocupa un sistema inercial donde, según el [[principio de relatividad]], se aplican las mismas leyes de la física.
En cambio, para un observador que se moviera con la escalera, viajaría también a velocidad constante en el [[sistema de referencia inercial]] de la escalera (estacionario) y sería observado desde el [[sistema de referencia inercial]] del garaje. Para este observador (viajando con o sobre la escalera) también ocupa un sistema inercial donde, según el [[principio de relatividad]], se aplican las mismas leyes de la física.


Desde esta perspectiva, es la escalera la que ahora estará estacionaria y el garaje el que se mueve a gran velocidad (para la escalera, y para el observador situado sobre la escalera o viajando con ésta). Por lo tanto, es el garaje el que se [[Contracción de Lorentz|contrae en longitud]], y ahora concluiremos que es demasiado pequeño para haber podido contener completamente la escalera cuando pasó: la escalera no cabe y no podremos cerrar ambas puertas a ambos lados de la escalera en un instante sin golpear a la escalera.
Desde esta perspectiva, es la escalera la que ahora estará estacionaria y el garaje el que se mueve a gran velocidad (para la escalera, y para el observador situado sobre la escalera o viajando con ésta). Por lo tanto, es el garaje el que se [[Contracción de Lorentz|contrae en longitud]], y ahora concluiremos que es demasiado pequeño para haber podido contener completamente la escalera cuando pasó: la escalera no cabe y no podremos cerrar ambas puertas a ambos lados de la escalera en un instante sin golpear a la escalera.


Esta aparente contradicción es la [[paradoja]] de la escalera (Rindler, 1961).
Esta aparente contradicción es la [[paradoja]] de la escalera (Rindler, 1961).
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|[[Archivo:Ladder_Paradox_Overview.svg|izquierda|miniaturadeimagen|266x266px| Figura 1: vista general del garaje y la escalera en reposo (simultaneidad absoluta).]]
|[[Archivo:Ladder_Paradox_Overview.svg|izquierda|miniaturadeimagen|266x266px| Figura 1: vista general del garaje y la escalera en reposo]]
|[[Archivo:Ladder_Paradox_GarageFrame.svg|miniaturadeimagen|150x150px| Figura 2: en el marco del garaje, la escalera sufre una contracción longitudinal y, por lo tanto, encajará (durante un instante) en el garaje.]]
|[[Archivo:Ladder_Paradox_GarageFrame.svg|miniaturadeimagen|150x150px| Figura 2: en el marco del garaje, la escalera sufre una contracción longitudinal y, por lo tanto, encajará (durante un instante) en el garaje.]]
|[[Archivo:Ladder_Paradox_LadderFrame.svg|miniaturadeimagen|150x150px| Figura 3: En el marco de la escalera, el garaje sufre una contracción longitudinal y es demasiado pequeño para contener la escalera.]]
|[[Archivo:Ladder_Paradox_LadderFrame.svg|miniaturadeimagen|150x150px| Figura 3: En el marco de la escalera, el garaje sufre una contracción longitudinal y es demasiado pequeño para contener la escalera.]]
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== Solución ==
[[Archivo:Ladder_Paradox_GarageScenario.svg|izquierda|miniaturadeimagen|424x424px| Figura 4: escenario desde el marco de referencia del garaje. Una escalera de longitud contraída que atraviesa el garaje, y durante un instante cabría completamente dentro del garaje o granero.]]
[[Archivo:Ladder_Paradox_LadderScenario.svg|miniaturadeimagen|508x508px| Figura 5: escenario desde el marco de referencia de la escalera. Un garaje de longitud contraída que se desplaza horizontalmente, y hace pasar a la escalera por su interior. Solo podría cerrarse una de las puertas. Si se hace simultáneamente en ese instante, golpeará a la escalera en alguno de sus extremos.]]
La solución a la aparente [[paradoja]] reside en considerar la [[Teoría de la relatividad especial|relatividad]], es decir, al aplicar la [[relatividad especial]], se estaría considerando la relatividad de la simultaneidad: lo que un observador (por ejemplo, en el garaje) considera al observar dos acontecimientos simultáneos, en realidad puede no serlo para otro observador (por ejemplo, situado en la escalera). Cuando decimos que la escalera "cabe" dentro del garaje, lo que se indica precisamente es que, en un momento concreto, la posición de la parte trasera de la escalera y la posición de la parte delantera de la escalera estarán ambas dentro del garaje; en otras palabras, tanto la parte delantera de la escalera como la trasera, estuvieron dentro del garaje de manera simultánea. Como es considerado anteriormente, la simultaneidad, en lugar de ser absoluta, es relativa, entonces, dos observadores pueden no estar de acuerdo sobre si la escalera encajaría completamente en un instante, dentro del garaje o no. Para un observador que se encontrara en el garaje, el extremo trasero de la escalera estaría en el garaje al mismo tiempo que el extremo delantero de la escalera, por lo que la escalera encaría. Pero para un observador que se encontrara en la escalera, sería el garaje el que se estaría desplazando horizontalmente, por lo que la escalera pasaría a ser más larga, o el garaje se encontraría en [[Contracción de Lorentz|contracción]], y la escalera no encajaría.

Una forma, quizás más clara de verlo, sería considerar las puertas desde el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] del garaje, las cuales se podrían cerrar en un instante, mientras la escalera al completo, estuviera dentro.

Sin embargo, desde el [[sistema de referencia inercial]] de la escalera, el primer evento es la parte frontal de la escalera, que se acerca a la puerta de salida del garaje, la puerta se cerraría, y luego se abriría para dejar pasar a la parte frontal de la escalera. Mientras, la parte trasera de la escalera habría pasado por la puerta de entrada, que se cerraría, y luego se abriría, como sucedió con la puerta de salida. Como la simultaneidad es relativa, podemos ver que no era necesario cerrar las dos puertas al mismo tiempo, sino solo la de salida, y la escalera no necesitaba caber dentro del garaje (desde un punto de vista de simultaneidad absoluto).

Esta situación puede ilustrarse mejor, con el siguiente diagrama: [[diagrama de Minkowski]].

El esquema se posiciona en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] en reposo del garaje. La banda vertical (de color azul claro) muestra el garaje en el [[espacio-tiempo]] y la banda de color rojo claro, muestra la escalera en el [[espacio-tiempo]]. Los ejes x y t son el espacio del garaje y los ejes del tiempo, respectivamente, y x′ y t′ son, en cambio, los ejes del espacio y del tiempo de la escalera, respectivamente.

En el [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje, la escalera puede estar representado por un conjunto de puntos en el eje horizontal, paralelos al eje x, en la banda roja. Un ejemplo es el segmento de línea azul (en negrita), que se encuentra dentro de la banda azul claro, que representa al garaje y que representa a la escalera en un momento en que está completamente dentro del garaje. Sin embargo, desde el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de la escalera, los conjuntos de eventos simultáneos se encontrarían en líneas paralelas al eje x' por lo que, la escalera, en cualquier momento específico puede estar representada por una sección transversal de dicha línea con la banda roja.

Un ejemplo de ello sería el segmento de línea roja en negrita. Aquí veremos que, dichos segmentos de línea, nunca se encuentran completamente dentro de la banda azul claro. Es decir, la escalera nunca quedaría completamente dentro del garaje.
[[Archivo:LadderParadox1_Minkowski.svg|centro|miniaturadeimagen|325x325px| Figura 6: [[Diagrama de Minkowski]] de la paradoja de la escalera. El garaje está representado en azul claro y la escalera en rojo claro. El [[diagrama]] está en el marco de reposo del garaje, siendo x y t los ejes de espacio del garaje y tiempo, respectivamente. El marco de la escalera será el de una persona sentada en la parte delantera de la escalera, siendo x ′ y t ′ los ejes de espacio y tiempo de la escalera, respectivamente. Las líneas azul y roja, AB y AC, representan la escalera en el momento en que su extremo frontal se encuentra con la puerta de salida del garaje, en el marco de referencia del garaje y la escalera, respectivamente. El evento D es el extremo trasero de la escalera que llega a la entrada del garaje.]]

== Cerrando la escalera en el garaje. ==
[[Archivo:Ladder_paradox_contraction.svg|izquierda|miniaturadeimagen|143x143px| Figura 7: una escalera que se contrae bajo aceleración para caber en un garaje de longitud relativamente reducida ([[Contracción de Lorentz|contraída]]).]]
En una versión más compleja de la [[paradoja]], se puede atrapar físicamente la escalera, una vez se encuentre completamente dentro del garaje (en desplazamiento a una velocidad cercana a la de la [[velocidad de la luz]]).

Por ejemplo, si no se vuelve a abrir la puerta después de cerrarla (aunque asumimos que en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje, la puerta de salida es inamovible).

De esa forma, cuando la parte frontal de la escalera golpeara la puerta de salida, diríamos que se detiene instantáneamente.<ref name="lengthcontraction">{{Cita publicación|título=Length Contraction Paradox|apellidos=Rindler, Wolfgang|publicación=American Journal of Physics|volumen=29|número=6|páginas=365–366|bibcode=1961AmJPh..29..365R|doi=10.1119/1.1937789|año=1961}}</ref> <ref>Rindler describes a rod that experiences simultaneous acceleration</ref>

En ese momento, la puerta de entrada también se habría cerrado, por lo que la escalera quedaría atrapada dentro del garaje. Su velocidad relativa en ese instante sería 0, por lo que no se [[Contracción de Lorentz|contrae en longitud]], y ahora sería más largo que el garaje: tendrá que doblarse, romperse, o estallar en fragmentos (ver [[paradoja de Ehrenfest]]).

Aquí surge una vez más, el enigma de considerar la situación desde el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la escalera. Como vimos en el análisis anterior, en su propio [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] (un observador viajando con la escalera o situado sobre la escalera), la escalera siempre fue más larga que el garaje.

Entonces, ¿cómo podríamos cerrar las puertas y atraparla dentro?

Quizás aquí puede valer la pena señalar que hemos deducido, considerando la estructura del garaje, que efectivamente atrapamos a la escalera dentro del garaje, lo cual es una propiedad o característica general, de la [[Teoría de la relatividad especial|relatividad]]. Por lo tanto, se podría pensar que esto es cierto en cualquier [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]]: no puede darse el caso en el que la escalera encajara en un marco pero no lo hiciera en otro. Así, desde el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la escalera, se tiende a pensar que debe haber alguna explicación de cómo la escalera quedó atrapada; simplemente debemos aún encontrar la explicación.

La explicación que surge puede ser tal que, aunque todas las partes de la escalera desaceleren hasta 0 en el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] del garaje, dado que la simultaneidad es relativa, la correspondiente desaceleración en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de la escalera no es simultánea con la del [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje. Por el contrario, cada parte de la escalera desacelerará de manera secuencial.<ref name="lengthcontraction">{{Cita publicación|título=Length Contraction Paradox|apellidos=Rindler, Wolfgang|publicación=American Journal of Physics|volumen=29|número=6|páginas=365–366|bibcode=1961AmJPh..29..365R|doi=10.1119/1.1937789|año=1961}}<cite class="citation journal cs1" data-ve-ignore="true" id="CITEREFRindler,_Wolfgang1961">Rindler, Wolfgang (1961). "Length Contraction Paradox". ''American Journal of Physics''. '''29''' (6): 365–366. [[Bibcode]]:[https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1961AmJPh..29..365R 1961AmJPh..29..365R]. [[Identificador de objeto digital|doi]]:[[doi:10.1119/1.1937789|10.1119/1.1937789]].</cite></ref>

De esta forma, la velocidad de la escalera se irá reduciendo desde su parte frontal, a su parte posterior, hasta que finalmente la parte final de la escalera desacelere, a partir de la cual el tiempo se encuentra ya dentro del [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje.

Como la [[Contracción de Lorentz|contracción de la longitud]] y la [[dilatación del tiempo]], están ambas controladas por las [[Transformación de Lorentz|transformaciones de Lorentz]] (desde la perspectiva del [[espacio-tiempo]]), la paradoja de la escalera puede llegar a verse como un correlato físico de la [[paradoja de los gemelos]] (en cuyo caso, uno de los gemelos del conjunto abandona la [[Tierra]], viaja a gran velocidad durante un período de tiempo, y regresaría a la [[Tierra]] un poco más joven que el [[Paradoja de los gemelos|gemelo]] que permaneció en la [[Tierra]]).

De una forma similar, así, al caso de la escalera atrapada dentro del granero, si ninguno de los [[Sistema de referencia inercial|marcos de referencia]] es independiente (cada uno se mueve sólo en relación al otro), ¿cómo puede ser que sea el [[Paradoja de los gemelos|gemelo]] que viajó al exterior y no el estacionario el que se observa más joven (al igual que la escalera, en lugar del granero, el más corto)?

En ambos casos fue la aceleración-desaceleración, la que diferenció los [[Fenómeno|fenómenos]]. Por ello, es el [[Paradoja de los gemelos|gemelo]], y no la [[Tierra]] (o la escalera, no el granero) el que sufrió la fuerza de la desaceleración, al regresar a un [[Sistema de referencia inercial|marco temporal]] (o físico, en el caso de la escalera-granero), esto es, a su [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia inercial]].
[[Archivo:Junk2.png|centro|marco| Figura 8: [[Diagrama de Minkowski]] del caso en el que la escalera se detuvo en toda su longitud, de manera simultánea, en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje. Cuando esto ocurre, el [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje ve la escalera como AB, pero el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de la escalera ve la escalera como AC. Cuando la parte trasera de la escalera entra al garaje en el punto D, todavía no ha sentido los efectos de la aceleración de su parte delantera. En este momento, según alguien en reposo con respecto a la parte trasera de la escalera, la parte delantera de la escalera estará en el punto E y verá la escalera como DE. Se ve que esta longitud en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de la escalera no es la misma que CA, la longitud en reposo de la escalera antes de la desaceleración.]]

== Paradoja de la escalera y transmisión de fuerza. ==
[[Archivo:Junk1.png|derecha|marco| Figura 1: [[Diagrama de Minkowski]] del caso en el que la escalera se detiene por impacto con la pared trasera del garaje. El impacto es el evento A. En el impacto, el [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje ve la escalera como AB, pero el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de la escalera ve la escalera como AC. La escalera no sale del garaje, por lo que su parte delantera ahora va directamente hacia arriba, pasando por el punto E. La parte trasera de la escalera no cambiará su trayectoria en el [[espacio-tiempo]] hasta que sienta los efectos de la desaceleración o del impacto. El efecto del comportamiento más adelantado, puede propagarse hacia afuera desde A, a una velocidad no mayor que la de la [[velocidad de la luz]], por lo que la parte posterior de la escalera nunca sentirá los efectos del impacto o desaceleración hasta el punto F (obsérvese el ángulo de 45° de la línea AF, correspondiente a la velocidad de transmisión luminosa de información) o más tarde, momento en el cual la escalera se encontrará dentro del garaje en ambos [[Sistema de referencia inercial|marcos]]. Se debería tener en cuenta que, cuando el [[Diagrama de Minkowski|diagrama]] se dibuja en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de la escalera, la [[velocidad de la luz]] es la misma, pero la escalera es más larga, por lo que la fuerza tardará más en llegar al extremo posterior; esto le ofrece un margen temporal suficiente, para que la parte trasera de la escalera se mueva dentro del garaje.]]
¿Qué sucede si la puerta trasera (la puerta por la que saldrá la escalera) se encuentra cerrada y no se abriera? Vamos a suponer que es una puerta tan [[Sólido|sólida]], que la escalera no la podría atravesar ni cuando chocara. De ese modo, en principio, solo podría detenerse. Además, como en el escenario previamente descrito, desde el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] del garaje, en un instante puede suceder que la escalera se encuentre completamente dentro del garaje o granero. Es decir, la parte trasera de la escalera, se encontrará ya dentro de los márgenes de la puerta principal (de entrada). Antes de chocar, se considera que se detiene, pero, desde el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la escalera, ésta es demasiado larga para caber dentro del garaje. Por ello, cuando chocara con la puerta de salida, se detendría. En ese instante, desde el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la escalera, su parte trasera aún no habría llegado a la puerta de entrada, mucho menos si se tiene en cuenta que el garaje estaría contraído.

Aquí aparece la [[paradoja]]. La pregunta que cabría hacer es: ¿la parte trasera de la escalera cruza la puerta de entrada, o no lo hace?

Surge la dificultad, fundamentalmente, al partir del supuesto de que la escalera es [[Rigidez|rígida]] (es decir, mantendrá la misma forma). Esto es algo fácilmente observable en la vida cotidiana. Pero al ser completamente [[Rigidez de Born|rígida]], esto significa que también puede transferir fuerza a una velocidad infinita (por lo que, cuando se empuja un extremo, el otro extremo debe reaccionar inmediatamente, de lo contrario, la escalera se [[Deformación (ingeniería)|deformará]]).

Es algo que contradice a la [[relatividad especial]], que establece que la información no podrá viajar más rápido que la [[velocidad de la luz]] (la cual es demasiado rápida para que podamos apreciarla en la vida real, pero es apreciable en el escenario de la escalera).

Por lo tanto, se puede considerar que los objetos no podrán ser [[Rigidez|rígidos]] bajo la [[Teoría de la relatividad especial|relatividad especial]].

En este último caso, cuando la parte frontal de la escalera chocara con la puerta de salida, la parte posterior de la escalera aún no habrá tenido la [[información]] que le lleve a iniciar el comportamiento de desaceleración (seguirá acelerando o desplazándose a la misma velocidad, en este caso, cercana a la [[velocidad de la luz]]). Se podría decir que, de algún modo, la escalera se "comprime", pues, tanto en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] del garaje como en el [[Sistema de referencia inercial|marco inercial]] de la escalera, la parte trasera seguirá moviéndose en el instante de la colisión (o incluso si frenara), al menos hasta que el punto donde la parte trasera de la escalera, en su [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]], entre en el [[cono de luz]] de la colisión, un punto donde la [[fuerza]] que se traslada hacia atrás a la [[velocidad de la luz]] ''c'', desde el propio punto de colisión se encontrará con la parte distal (posterior) de la escalera.

En ese punto, se puede considerar que la escalera es, en realidad, más corta que la [[Contracción de Lorentz|longitud contraída]] originalmente, por lo que el extremo distal estará dentro del garaje. Los cálculos mostrarán que en ambos [[Sistema de referencia inercial|marcos de referencia]], lo expuesto anteriormente es lo que sucede.


No es especificado, en cambio, qué sucede después de la llegada de la [[fuerza]] a la parte posterior de la escalera (la zona que aparece coloreada de "verde" en el [[diagrama]]). A tenor de las [[leyes de la física]], la escalera podría romperse o, si fuera lo suficientemente [[Elasticidad (mecánica de sólidos)|elástico]] o en función de las [[Propiedades mecánicas de los materiales|propiedades del material]], [[Deformación (ingeniería)|doblarse]] o [[Deformación|deformarse]] (volviéndose a [[Extensión de cuerpos|extender]] hasta su [[longitud]] original o manteniendo una [[aceleración]] constante contra la puerta de salida, en el caso de ser [[Elasticidad (mecánica de sólidos)|elástico]] con propiedades ideales o suficientes).

A una velocidad lo suficientemente alta, cualquier material realista se degradaría en muchos [[Análisis de nodos|nodos individuales]] (explotaría o perdería su integridad y [[contigüidad física]], distribuyéndose y/o dispersándose prácticamente como lo haría un [[gas ideal]],(cita) pudiendo formar [[Plasma (estado de la materia)|plasma]] o una [[estructura desintegrada]] formada por [[Análisis de nodos|nodos]] independientes).

== "Una persona cayendo en la variación de la rejilla". ==
[[Archivo:Ladder_paradox_grate_variation.svg|miniaturadeimagen|378x378px| Una persona (representada por una varilla segmentada) cayendo a una reja.]]
Como decíamos anteriormente, esta primera versión de la paradoja fue propuesta por Wolfgang Rindler <ref name="lengthcontraction" /> implicaba una solución en la que una persona caminaba rápidamente, representado por una varilla, y caía en una rejilla.<ref>{{Cita libro|apellidos=Edwin F. Taylor|apellidos2=John Archibald Wheeler|título=Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity|url=https://archive.org/details/spacetimephysics00edwi_0|año=1992|editorial=W. H. Freeman|ubicación=New York|isbn=0-7167-2327-1|páginas=[https://archive.org/details/spacetimephysics00edwi_0/page/116 116]}}</ref>De esa manera, al suponer que la varilla estaría completamente sobre la rejilla en el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la rejilla antes de que comenzara la [[aceleración]] en el eje vertical, aplicada simultáneamente y por igual a cada punto de la varilla, desde la perspectiva de la rejilla, la varilla estaría sufriendo una [[Contracción de Lorentz|contracción longitudinal]], y encajaría en la rejilla.

Por otro lado, desde la perspectiva de la varilla, sería la rejilla la que sufriría esta [[Contracción de Lorentz|contracción longitudinal]], por lo que la varilla tendría una dimensión de excesivamente larga para caer.

La [[aceleración]] en el eje vertical de la varilla, siendo simultánea en el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la rejilla, no es, sin embargo, simultánea en el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la varilla. Esto se debe a que, en el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la varilla, la parte frontal de la varilla primero se acelera hacia abajo (como se muestra en el dibujo, en la celda 3), y, a medida que pasa el tiempo, la varilla y su [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] se somete más y más a la [[aceleración]] en el eje vertical, hasta que la parte posterior de la varilla, inclusive, se acelera en el eje vertical (hacia abajo), finalmente.


Lo anterior, da como resultado un efecto de flexión en el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la varilla (dado que la flexión se produce en el marco del apoyo de la varilla, se puede considerar una verdadera [[distorsión física]] de la varilla, lo que provocará que se produzcan [[Tensiones nodales|tensiones]] en la varilla).

Esto da como resultado una flexión de la varilla en el [[Sistema de referencia inercial|marco de referencia]] de la varilla. Dado que esta flexión se produce en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de apoyo de la varilla, es una verdadera [[distorsión física]] de la varilla la que provocará que se produzcan [[Tensiones nodales|tensiones]] en la varilla.

Para que esta forma de [[distorsión física]], o comportamiento observable ([[fenómeno]]) no rígido de la varilla, pueda ser apreciado, tanto la rejilla como la propia varilla deberán tener una escala tal que, el tiempo de recorrido, sea [[Medición|medible]].

== Paradoja de la barra y el anillo ==
[[Archivo:BarAndRing.svg|derecha|miniaturadeimagen|360x360px| El [[diagrama]] de la izquierda ilustra una barra y un anillo en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de reposo del anillo en el instante en que sus centros coinciden. La barra aparece [[Contracción de Lorentz|contraída]] y se mueve hacia arriba y hacia la derecha, mientras que el anillo aparece estacionario y [[Contracción de Lorentz|no contraído]]. El [[diagrama]] de la derecha ilustra la situación en el mismo instante, pero en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de reposo de la barra. El anillo ahora está [[Contracción de Lorentz|contraído]] y gira con respecto a la barra, y la barra [[Contracción de Lorentz|no está contraída]]. De nuevo, el anillo pasa por encima de la barra sin tocarla.]]
Una situación particularmente similar, pero que puede ser observada como más simple que la paradoja de la varilla y la rejilla (involucrando un menor número de [[Sistema de referencia inercial|marcos inerciales]]) es la [[paradoja]] de la "barra y el anillo".

La [[paradoja]] de la rejilla y la varilla implica varios [[Sistema de referencia inercial|marcos de referencia inerciales]], y una [[deformación secuencial]] de la varilla (o persona), lo cual tiende a dificultar la comprensión, introduciendo posibles aspectos [[Mecánica clásica|mecánicos más clásicos]], como son la [[rigidez]] de la varilla (o de la persona). De ese modo, una forma de observar con mayor claridad la verdadera naturaleza de la paradoja, puede ser utilizar el ejemplo de la "barra y el anillo": una barra (con una [[longitud]] ligeramente superior al [[diámetro]] del anillo) se mueve hacia arriba en el eje vertical, y hacia la derecha en el eje horizontal, mientras que el anillo se encontraría estacionario, y colocado en un plano horizontal. Si la barra describe un movimiento tal que el centro de la barra coincidiera con el centro del anillo en un instante, entonces la barra aparecerá bajo las condiciones de la [[contracción de Lorentz]] debido a un componente directo de su movimiento, y podrá pasar a través del anillo.

La [[paradoja]] sucede cuando esta situación se considera desde el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de reposo de la barra, puesto que, ahora, el anillo viaja hacia abajo en el eje vertical, y hacia la izquierda en el eje horizontal, y se [[Contracción de Lorentz|contraerá]] en ese sentido, a lo largo de su longitud horizontal, mientras que la barra, en cambio, no sufrirá [[Contracción de Lorentz|contracción]] alguna en absoluto. ¿Cómo puede entonces pasar la barra por el anillo?

La solución a la paradoja, de nuevo, se encuentra en la relatividad de la simultaneidad. Rindler, 1961 (Ferraro, 2007)

La [[longitud]] del objeto físico, pues, se define como la distancia entre 2 ''eventos'' ''simultáneos'', que ocurren en cada uno de los extremos del objeto físico, y, dado que la simultaneidad es relativa, esta longitud también lo será.

Esta variabilidad en la longitud es lo que se conoce como la [[contracción de Lorentz]]. (cita).

De forma similar sucede con un [[ángulo]]: un ángulo físico se define como un ángulo formado por tres ''eventos simultáneos'', siendo este ángulo también una [[Teoría de la relatividad|cantidad relativa]]. En la [[paradoja]] anterior, aunque la barra y el plano del anillo son paralelos en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de reposo del anillo, no lo serán en el [[Sistema de referencia inercial|marco]] de reposo de la barra.


(Ferraro 2007):

De ese modo, la barra no [[Contracción de Lorentz|contraída]] pasará a través del anillo [[Contracción de Lorentz|contraído por Lorentz]], puesto que el plano del anillo estará girando con respecto a la barra en una cantidad suficiente, como para dejar pasar a la barra.

En términos matemáticos, puede considerarse que una [[transformación de Lorentz]] se podría separar en el resultado entre el producto de una [[Rotación (matemáticas)|rotación espacial]] y una [[transformación de Lorentz]] "adecuada" (que no implica [[Rotación (matemáticas)|rotación espacial]]). La resolución matemática de la paradoja de la "barra y el anillo" se basa en el hecho de que, el producto de estas [[Transformación de Lorentz|transformaciones de Lorentz]] "adecuadas" (horizontal y vertical) puede igualmente producir una pseudo [[transformación de Lorentz]] que no es tal (diagonal), siendo lo que se denomina "no propia", al incluir una [[Rotación (matemáticas)|rotación espacial]] (no adecuada).

== Ver también ==

* Paradoja de la nave espacial de Bell
* Paradoja de Eherenfest
* Paradoja física
* Relatividad de la simultaneidad
* Paradoja de los gemelos
* Paradoja de Supplee

== Notas ==
<references />

== Referencias ==

* {{Cita publicación|título=Length paradox in relativity|apellidos=Wells, Willard H.|publicación=American Journal of Physics|volumen=29|número=12|páginas=858|bibcode=1961AmJPh..29..858W|doi=10.1119/1.1937641|año=1961}}
* {{Cita publicación|título=Length contraction paradox|apellidos=Shaw, R.|publicación=American Journal of Physics|volumen=30|número=1|páginas=72|bibcode=1962AmJPh..30...72S|doi=10.1119/1.1941907|año=1962}}
* {{Cita publicación|título=Length paradox in relativity|apellidos=Martins, Roberto De A.|publicación=American Journal of Physics|volumen=46|número=6|páginas=667–670|bibcode=1978AmJPh..46..667M|doi=10.1119/1.11227|año=1978}}
* {{Cita publicación|título=Is length contraction really paradoxical?|apellidos=Sastry, G. P.|publicación=American Journal of Physics|volumen=55|número=10|páginas=943–946|bibcode=1987AmJPh..55..943S|doi=10.1119/1.14911|año=1987}}
* {{Cita publicación|título=Computer simulation of Rindler's length contraction paradox|apellidos=Grøn, Øyvind|apellidos2=Johannesen, Steinar|publicación=European Journal of Physics|volumen=14|número=3|páginas=97–100|bibcode=1993EJPh...14...97G|doi=10.1088/0143-0807/14/3/001|año=1993}}
* {{Cita publicación|título=The rod and hole paradox re-examined|apellidos=van Lintel, Harald|apellidos2=Gruber, Christian|publicación=European Journal of Physics|volumen=26|número=1|páginas=19–23|bibcode=2005EJPh...26...19V|doi=10.1088/0143-0807/26/1/003|año=2005}}
* {{Cita publicación|título=Reversal in the time order of interactive events: the collision of inclined rods|apellidos=Iyer, Chandru|apellidos2=Prabhu, G. M.|publicación=European Journal of Physics|volumen=27|número=4|páginas=819–824|bibcode=2006EJPh...27..819I|doi=10.1088/0143-0807/27/4/013|año=2008|arxiv=0809.1721}}
* {{Cita publicación|título=The lock and key paradox and the limits of rigidity in special relativity|apellidos=Pierce, Evan|publicación=American Journal of Physics|volumen=75|número=7|páginas=610–614|bibcode=2007AmJPh..75..610P|doi=10.1119/1.2711827|año=2007}}
* {{Cita publicación|título=Differing observations on the landing of the rod into the slot|apellidos=Iyer, Chandru|apellidos2=Prabhu, G. M.|publicación=American Journal of Physics|volumen=74|número=11|páginas=998–1001|bibcode=2006AmJPh..74..998I|doi=10.1119/1.2346686|año=2008|arxiv=0809.1740}}
* {{Cita publicación|título=A note on linking electric current, magnetic fields, charges and the pole in a barn paradox in special relativity|apellidos=McGlynn, Enda|apellidos2=van Kampen, Paul|publicación=European Journal of Physics|volumen=29|número=6|páginas=N63–N67|bibcode=2008EJPh...29...63M|doi=10.1088/0143-0807/29/6/N03|año=2008}}

== Otras lecturas ==

* Edwin F. Taylor y John Archibald Wheeler, '''Física del espacio-tiempo (2.ª ed.)''' (Freeman, Nueva York, 1992)

: - analiza varias paradojas aparentes de la RS y sus soluciones

* {{Cita libro|apellidos=Rindler, Wolfgang|título=Relativity: Special, General and Cosmological|editorial=Oxford University Press|año=2001|isbn=0-19-850836-0}}
* {{Cita libro|apellidos=Ferraro|nombre=Rafael|título=Einstein's space-time: an introduction to special and general relativity|editorial=[[Springer Science+Business Media|Springer]]|año=2007|isbn=978-0-387-69946-2|url=https://books.google.com/books?id=wa3CskhHaIgC&q=relativity+bar+and+ring}}

== Enlaces externos ==

* [http://math.ucr.edu/~jdp/Relativity/SpecialRelativity.html Animaciones de relatividad especial] ''de John de Pillis.'' Esta paradoja interactiva animada del tren y el túnel, es análoga a la paradoja del poste (tren) y el granero (túnel).
{{Relativity}}{{Control de autoridades}}
[[Categoría:Experimentos mentales en física]]
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Revisión del 02:11 20 feb 2024

La paradoja de la escalera (o "paradoja del poste de granero") es un experimento mental de la relatividad especial, desarrollado por Rindler (1961), a partir de las propias observaciones realizadas por Einstein, y por Lorentz, relacionado con la paradoja de Ehrenfest.

Se trata de una escalera que viaja horizontalmente a una velocidad relativista (cercana a la velocidad de la luz, por ejemplo un valor del 90% o 0,9 c) paralela al suelo, y, por tanto, sufre una contracción de longitud de Lorentz. Si imagináramos que la escalera pasa a través de las puertas delanteras y traseras (abiertas) de un garaje o granero, cuyo espacio interno es inferior a la longitud de la escalera (longitud de descanso), por lo que si la escalera no se moviera no podría caber dentro.

Para un observador estacionario, debido a la contracción, la escalera móvil podría caber completamente dentro del edificio a medida que pasa. Sin embargo, desde el punto de vista de un observador que se mueve con la escalera, ésta no se contraerá, y es el edificio el que se contraerá en una longitud aún menor. Esto es lo que se conoce como (parte de) la paradoja de Ehrenfest. Por lo tanto, la escalera no podrá caber dentro del edificio cuando lo atraviese. Esto plantea una aparente discrepancia entre las realidades de ambos observadores.

Esta paradoja, o aparente paradoja, resulta de la errónea suposición de la existencia de una simultaneidad absoluta. Se dice que la escalera cabe en el garaje, si y solo si, ambos extremos pueden colocarse simultáneamente dentro del garaje. Esta paradoja puede resolverse cuando es considerada la relatividad, pues en la relatividad la simultaneidad es relativa a cada observador, por lo que la respuesta a si la escalera cabe dentro del garaje también es relativa a dónde se sitúe el punto de vista u observador, es decir, de cada uno de ellos.

Paradoja

La versión más simple de la paradoja implicaría un garaje con una puerta (delantera) y una puerta (trasera) abiertas, y una escalera que, cuando se considera en reposo con respecto al garaje sería demasiado larga para caber en su interior, y cuando se considera en movimiento para un observador externo, dado que viaja al 90% de la velocidad de la luz (c) sería contraída, lo suficiente como para caber dentro del garaje o granero, completamente, mientras se mueve. Es decir, cuando movemos la escalera a alta velocidad horizontal a través del garaje estacionario, la escalera sufre el efecto relativista de contracción de longitud y se vuelve significativamente más corta debido a su alta velocidad. Como resultado, cuando la escalera pasa por el garaje, queda, durante un tiempo, completamente contenida dentro de él. Si quisiéramos, durante un breve instante podríamos cerrar simultáneamente ambas puertas para demostrar que la escalera encaja.

Hasta ahora la aparente paradoja surge cuando consideramos la simetría de la situación.

En cambio, para un observador que se moviera con la escalera, viajaría también a velocidad constante en el sistema de referencia inercial de la escalera (estacionario) y sería observado desde el sistema de referencia inercial del garaje. Para este observador (viajando con o sobre la escalera) también ocupa un sistema inercial donde, según el principio de relatividad, se aplican las mismas leyes de la física.

Desde esta perspectiva, es la escalera la que ahora estará estacionaria y el garaje el que se mueve a gran velocidad (para la escalera, y para el observador situado sobre la escalera o viajando con ésta). Por lo tanto, es el garaje el que se contrae en longitud, y ahora concluiremos que es demasiado pequeño para haber podido contener completamente la escalera cuando pasó: la escalera no cabe y no podremos cerrar ambas puertas a ambos lados de la escalera en un instante sin golpear a la escalera.

Esta aparente contradicción es la paradoja de la escalera (Rindler, 1961).

Figura 1: vista general del garaje y la escalera en reposo
Figura 2: en el marco del garaje, la escalera sufre una contracción longitudinal y, por lo tanto, encajará (durante un instante) en el garaje.
Figura 3: En el marco de la escalera, el garaje sufre una contracción longitudinal y es demasiado pequeño para contener la escalera.

Solución

Figura 4: escenario desde el marco de referencia del garaje. Una escalera de longitud contraída que atraviesa el garaje, y durante un instante cabría completamente dentro del garaje o granero.
Figura 5: escenario desde el marco de referencia de la escalera. Un garaje de longitud contraída que se desplaza horizontalmente, y hace pasar a la escalera por su interior. Solo podría cerrarse una de las puertas. Si se hace simultáneamente en ese instante, golpeará a la escalera en alguno de sus extremos.

La solución a la aparente paradoja reside en considerar la relatividad, es decir, al aplicar la relatividad especial, se estaría considerando la relatividad de la simultaneidad: lo que un observador (por ejemplo, en el garaje) considera al observar dos acontecimientos simultáneos, en realidad puede no serlo para otro observador (por ejemplo, situado en la escalera). Cuando decimos que la escalera "cabe" dentro del garaje, lo que se indica precisamente es que, en un momento concreto, la posición de la parte trasera de la escalera y la posición de la parte delantera de la escalera estarán ambas dentro del garaje; en otras palabras, tanto la parte delantera de la escalera como la trasera, estuvieron dentro del garaje de manera simultánea. Como es considerado anteriormente, la simultaneidad, en lugar de ser absoluta, es relativa, entonces, dos observadores pueden no estar de acuerdo sobre si la escalera encajaría completamente en un instante, dentro del garaje o no. Para un observador que se encontrara en el garaje, el extremo trasero de la escalera estaría en el garaje al mismo tiempo que el extremo delantero de la escalera, por lo que la escalera encaría. Pero para un observador que se encontrara en la escalera, sería el garaje el que se estaría desplazando horizontalmente, por lo que la escalera pasaría a ser más larga, o el garaje se encontraría en contracción, y la escalera no encajaría.

Una forma, quizás más clara de verlo, sería considerar las puertas desde el marco de referencia del garaje, las cuales se podrían cerrar en un instante, mientras la escalera al completo, estuviera dentro.

Sin embargo, desde el sistema de referencia inercial de la escalera, el primer evento es la parte frontal de la escalera, que se acerca a la puerta de salida del garaje, la puerta se cerraría, y luego se abriría para dejar pasar a la parte frontal de la escalera. Mientras, la parte trasera de la escalera habría pasado por la puerta de entrada, que se cerraría, y luego se abriría, como sucedió con la puerta de salida. Como la simultaneidad es relativa, podemos ver que no era necesario cerrar las dos puertas al mismo tiempo, sino solo la de salida, y la escalera no necesitaba caber dentro del garaje (desde un punto de vista de simultaneidad absoluto).

Esta situación puede ilustrarse mejor, con el siguiente diagrama: diagrama de Minkowski.

El esquema se posiciona en el marco en reposo del garaje. La banda vertical (de color azul claro) muestra el garaje en el espacio-tiempo y la banda de color rojo claro, muestra la escalera en el espacio-tiempo. Los ejes x y t son el espacio del garaje y los ejes del tiempo, respectivamente, y x′ y t′ son, en cambio, los ejes del espacio y del tiempo de la escalera, respectivamente.

En el marco del garaje, la escalera puede estar representado por un conjunto de puntos en el eje horizontal, paralelos al eje x, en la banda roja. Un ejemplo es el segmento de línea azul (en negrita), que se encuentra dentro de la banda azul claro, que representa al garaje y que representa a la escalera en un momento en que está completamente dentro del garaje. Sin embargo, desde el marco de la escalera, los conjuntos de eventos simultáneos se encontrarían en líneas paralelas al eje x' por lo que, la escalera, en cualquier momento específico puede estar representada por una sección transversal de dicha línea con la banda roja.

Un ejemplo de ello sería el segmento de línea roja en negrita. Aquí veremos que, dichos segmentos de línea, nunca se encuentran completamente dentro de la banda azul claro. Es decir, la escalera nunca quedaría completamente dentro del garaje.

Figura 6: Diagrama de Minkowski de la paradoja de la escalera. El garaje está representado en azul claro y la escalera en rojo claro. El diagrama está en el marco de reposo del garaje, siendo x y t los ejes de espacio del garaje y tiempo, respectivamente. El marco de la escalera será el de una persona sentada en la parte delantera de la escalera, siendo x ′ y t ′ los ejes de espacio y tiempo de la escalera, respectivamente. Las líneas azul y roja, AB y AC, representan la escalera en el momento en que su extremo frontal se encuentra con la puerta de salida del garaje, en el marco de referencia del garaje y la escalera, respectivamente. El evento D es el extremo trasero de la escalera que llega a la entrada del garaje.

Cerrando la escalera en el garaje.

Figura 7: una escalera que se contrae bajo aceleración para caber en un garaje de longitud relativamente reducida (contraída).

En una versión más compleja de la paradoja, se puede atrapar físicamente la escalera, una vez se encuentre completamente dentro del garaje (en desplazamiento a una velocidad cercana a la de la velocidad de la luz).

Por ejemplo, si no se vuelve a abrir la puerta después de cerrarla (aunque asumimos que en el marco del garaje, la puerta de salida es inamovible).

De esa forma, cuando la parte frontal de la escalera golpeara la puerta de salida, diríamos que se detiene instantáneamente.[1][2]

En ese momento, la puerta de entrada también se habría cerrado, por lo que la escalera quedaría atrapada dentro del garaje. Su velocidad relativa en ese instante sería 0, por lo que no se contrae en longitud, y ahora sería más largo que el garaje: tendrá que doblarse, romperse, o estallar en fragmentos (ver paradoja de Ehrenfest).

Aquí surge una vez más, el enigma de considerar la situación desde el marco de referencia de la escalera. Como vimos en el análisis anterior, en su propio marco de referencia (un observador viajando con la escalera o situado sobre la escalera), la escalera siempre fue más larga que el garaje.

Entonces, ¿cómo podríamos cerrar las puertas y atraparla dentro?

Quizás aquí puede valer la pena señalar que hemos deducido, considerando la estructura del garaje, que efectivamente atrapamos a la escalera dentro del garaje, lo cual es una propiedad o característica general, de la relatividad. Por lo tanto, se podría pensar que esto es cierto en cualquier marco de referencia: no puede darse el caso en el que la escalera encajara en un marco pero no lo hiciera en otro. Así, desde el marco de referencia de la escalera, se tiende a pensar que debe haber alguna explicación de cómo la escalera quedó atrapada; simplemente debemos aún encontrar la explicación.

La explicación que surge puede ser tal que, aunque todas las partes de la escalera desaceleren hasta 0 en el marco de referencia del garaje, dado que la simultaneidad es relativa, la correspondiente desaceleración en el marco de la escalera no es simultánea con la del marco del garaje. Por el contrario, cada parte de la escalera desacelerará de manera secuencial.[1]

De esta forma, la velocidad de la escalera se irá reduciendo desde su parte frontal, a su parte posterior, hasta que finalmente la parte final de la escalera desacelere, a partir de la cual el tiempo se encuentra ya dentro del marco del garaje.

Como la contracción de la longitud y la dilatación del tiempo, están ambas controladas por las transformaciones de Lorentz (desde la perspectiva del espacio-tiempo), la paradoja de la escalera puede llegar a verse como un correlato físico de la paradoja de los gemelos (en cuyo caso, uno de los gemelos del conjunto abandona la Tierra, viaja a gran velocidad durante un período de tiempo, y regresaría a la Tierra un poco más joven que el gemelo que permaneció en la Tierra).

De una forma similar, así, al caso de la escalera atrapada dentro del granero, si ninguno de los marcos de referencia es independiente (cada uno se mueve sólo en relación al otro), ¿cómo puede ser que sea el gemelo que viajó al exterior y no el estacionario el que se observa más joven (al igual que la escalera, en lugar del granero, el más corto)?

En ambos casos fue la aceleración-desaceleración, la que diferenció los fenómenos. Por ello, es el gemelo, y no la Tierra (o la escalera, no el granero) el que sufrió la fuerza de la desaceleración, al regresar a un marco temporal (o físico, en el caso de la escalera-granero), esto es, a su marco de referencia inercial.

Figura 8: Diagrama de Minkowski del caso en el que la escalera se detuvo en toda su longitud, de manera simultánea, en el marco del garaje. Cuando esto ocurre, el marco del garaje ve la escalera como AB, pero el marco de la escalera ve la escalera como AC. Cuando la parte trasera de la escalera entra al garaje en el punto D, todavía no ha sentido los efectos de la aceleración de su parte delantera. En este momento, según alguien en reposo con respecto a la parte trasera de la escalera, la parte delantera de la escalera estará en el punto E y verá la escalera como DE. Se ve que esta longitud en el marco de la escalera no es la misma que CA, la longitud en reposo de la escalera antes de la desaceleración.

Paradoja de la escalera y transmisión de fuerza.

Figura 1: Diagrama de Minkowski del caso en el que la escalera se detiene por impacto con la pared trasera del garaje. El impacto es el evento A. En el impacto, el marco del garaje ve la escalera como AB, pero el marco de la escalera ve la escalera como AC. La escalera no sale del garaje, por lo que su parte delantera ahora va directamente hacia arriba, pasando por el punto E. La parte trasera de la escalera no cambiará su trayectoria en el espacio-tiempo hasta que sienta los efectos de la desaceleración o del impacto. El efecto del comportamiento más adelantado, puede propagarse hacia afuera desde A, a una velocidad no mayor que la de la velocidad de la luz, por lo que la parte posterior de la escalera nunca sentirá los efectos del impacto o desaceleración hasta el punto F (obsérvese el ángulo de 45° de la línea AF, correspondiente a la velocidad de transmisión luminosa de información) o más tarde, momento en el cual la escalera se encontrará dentro del garaje en ambos marcos. Se debería tener en cuenta que, cuando el diagrama se dibuja en el marco de la escalera, la velocidad de la luz es la misma, pero la escalera es más larga, por lo que la fuerza tardará más en llegar al extremo posterior; esto le ofrece un margen temporal suficiente, para que la parte trasera de la escalera se mueva dentro del garaje.

¿Qué sucede si la puerta trasera (la puerta por la que saldrá la escalera) se encuentra cerrada y no se abriera? Vamos a suponer que es una puerta tan sólida, que la escalera no la podría atravesar ni cuando chocara. De ese modo, en principio, solo podría detenerse. Además, como en el escenario previamente descrito, desde el marco de referencia del garaje, en un instante puede suceder que la escalera se encuentre completamente dentro del garaje o granero. Es decir, la parte trasera de la escalera, se encontrará ya dentro de los márgenes de la puerta principal (de entrada). Antes de chocar, se considera que se detiene, pero, desde el marco de referencia de la escalera, ésta es demasiado larga para caber dentro del garaje. Por ello, cuando chocara con la puerta de salida, se detendría. En ese instante, desde el marco de referencia de la escalera, su parte trasera aún no habría llegado a la puerta de entrada, mucho menos si se tiene en cuenta que el garaje estaría contraído.

Aquí aparece la paradoja. La pregunta que cabría hacer es: ¿la parte trasera de la escalera cruza la puerta de entrada, o no lo hace?

Surge la dificultad, fundamentalmente, al partir del supuesto de que la escalera es rígida (es decir, mantendrá la misma forma). Esto es algo fácilmente observable en la vida cotidiana. Pero al ser completamente rígida, esto significa que también puede transferir fuerza a una velocidad infinita (por lo que, cuando se empuja un extremo, el otro extremo debe reaccionar inmediatamente, de lo contrario, la escalera se deformará).

Es algo que contradice a la relatividad especial, que establece que la información no podrá viajar más rápido que la velocidad de la luz (la cual es demasiado rápida para que podamos apreciarla en la vida real, pero es apreciable en el escenario de la escalera).

Por lo tanto, se puede considerar que los objetos no podrán ser rígidos bajo la relatividad especial.

En este último caso, cuando la parte frontal de la escalera chocara con la puerta de salida, la parte posterior de la escalera aún no habrá tenido la información que le lleve a iniciar el comportamiento de desaceleración (seguirá acelerando o desplazándose a la misma velocidad, en este caso, cercana a la velocidad de la luz). Se podría decir que, de algún modo, la escalera se "comprime", pues, tanto en el marco del garaje como en el marco inercial de la escalera, la parte trasera seguirá moviéndose en el instante de la colisión (o incluso si frenara), al menos hasta que el punto donde la parte trasera de la escalera, en su marco de referencia, entre en el cono de luz de la colisión, un punto donde la fuerza que se traslada hacia atrás a la velocidad de la luz c, desde el propio punto de colisión se encontrará con la parte distal (posterior) de la escalera.

En ese punto, se puede considerar que la escalera es, en realidad, más corta que la longitud contraída originalmente, por lo que el extremo distal estará dentro del garaje. Los cálculos mostrarán que en ambos marcos de referencia, lo expuesto anteriormente es lo que sucede.


No es especificado, en cambio, qué sucede después de la llegada de la fuerza a la parte posterior de la escalera (la zona que aparece coloreada de "verde" en el diagrama). A tenor de las leyes de la física, la escalera podría romperse o, si fuera lo suficientemente elástico o en función de las propiedades del material, doblarse o deformarse (volviéndose a extender hasta su longitud original o manteniendo una aceleración constante contra la puerta de salida, en el caso de ser elástico con propiedades ideales o suficientes).

A una velocidad lo suficientemente alta, cualquier material realista se degradaría en muchos nodos individuales (explotaría o perdería su integridad y contigüidad física, distribuyéndose y/o dispersándose prácticamente como lo haría un gas ideal,(cita) pudiendo formar plasma o una estructura desintegrada formada por nodos independientes).

"Una persona cayendo en la variación de la rejilla".

Una persona (representada por una varilla segmentada) cayendo a una reja.

Como decíamos anteriormente, esta primera versión de la paradoja fue propuesta por Wolfgang Rindler [1]​ implicaba una solución en la que una persona caminaba rápidamente, representado por una varilla, y caía en una rejilla.[3]​De esa manera, al suponer que la varilla estaría completamente sobre la rejilla en el marco de referencia de la rejilla antes de que comenzara la aceleración en el eje vertical, aplicada simultáneamente y por igual a cada punto de la varilla, desde la perspectiva de la rejilla, la varilla estaría sufriendo una contracción longitudinal, y encajaría en la rejilla.

Por otro lado, desde la perspectiva de la varilla, sería la rejilla la que sufriría esta contracción longitudinal, por lo que la varilla tendría una dimensión de excesivamente larga para caer.

La aceleración en el eje vertical de la varilla, siendo simultánea en el marco de referencia de la rejilla, no es, sin embargo, simultánea en el marco de referencia de la varilla. Esto se debe a que, en el marco de referencia de la varilla, la parte frontal de la varilla primero se acelera hacia abajo (como se muestra en el dibujo, en la celda 3), y, a medida que pasa el tiempo, la varilla y su marco de referencia se somete más y más a la aceleración en el eje vertical, hasta que la parte posterior de la varilla, inclusive, se acelera en el eje vertical (hacia abajo), finalmente.


Lo anterior, da como resultado un efecto de flexión en el marco de referencia de la varilla (dado que la flexión se produce en el marco del apoyo de la varilla, se puede considerar una verdadera distorsión física de la varilla, lo que provocará que se produzcan tensiones en la varilla).

Esto da como resultado una flexión de la varilla en el marco de referencia de la varilla. Dado que esta flexión se produce en el marco de apoyo de la varilla, es una verdadera distorsión física de la varilla la que provocará que se produzcan tensiones en la varilla.

Para que esta forma de distorsión física, o comportamiento observable (fenómeno) no rígido de la varilla, pueda ser apreciado, tanto la rejilla como la propia varilla deberán tener una escala tal que, el tiempo de recorrido, sea medible.

Paradoja de la barra y el anillo

El diagrama de la izquierda ilustra una barra y un anillo en el marco de reposo del anillo en el instante en que sus centros coinciden. La barra aparece contraída y se mueve hacia arriba y hacia la derecha, mientras que el anillo aparece estacionario y no contraído. El diagrama de la derecha ilustra la situación en el mismo instante, pero en el marco de reposo de la barra. El anillo ahora está contraído y gira con respecto a la barra, y la barra no está contraída. De nuevo, el anillo pasa por encima de la barra sin tocarla.

Una situación particularmente similar, pero que puede ser observada como más simple que la paradoja de la varilla y la rejilla (involucrando un menor número de marcos inerciales) es la paradoja de la "barra y el anillo".

La paradoja de la rejilla y la varilla implica varios marcos de referencia inerciales, y una deformación secuencial de la varilla (o persona), lo cual tiende a dificultar la comprensión, introduciendo posibles aspectos mecánicos más clásicos, como son la rigidez de la varilla (o de la persona). De ese modo, una forma de observar con mayor claridad la verdadera naturaleza de la paradoja, puede ser utilizar el ejemplo de la "barra y el anillo": una barra (con una longitud ligeramente superior al diámetro del anillo) se mueve hacia arriba en el eje vertical, y hacia la derecha en el eje horizontal, mientras que el anillo se encontraría estacionario, y colocado en un plano horizontal. Si la barra describe un movimiento tal que el centro de la barra coincidiera con el centro del anillo en un instante, entonces la barra aparecerá bajo las condiciones de la contracción de Lorentz debido a un componente directo de su movimiento, y podrá pasar a través del anillo.

La paradoja sucede cuando esta situación se considera desde el marco de reposo de la barra, puesto que, ahora, el anillo viaja hacia abajo en el eje vertical, y hacia la izquierda en el eje horizontal, y se contraerá en ese sentido, a lo largo de su longitud horizontal, mientras que la barra, en cambio, no sufrirá contracción alguna en absoluto. ¿Cómo puede entonces pasar la barra por el anillo?

La solución a la paradoja, de nuevo, se encuentra en la relatividad de la simultaneidad. Rindler, 1961 (Ferraro, 2007)

La longitud del objeto físico, pues, se define como la distancia entre 2 eventos simultáneos, que ocurren en cada uno de los extremos del objeto físico, y, dado que la simultaneidad es relativa, esta longitud también lo será.

Esta variabilidad en la longitud es lo que se conoce como la contracción de Lorentz. (cita).

De forma similar sucede con un ángulo: un ángulo físico se define como un ángulo formado por tres eventos simultáneos, siendo este ángulo también una cantidad relativa. En la paradoja anterior, aunque la barra y el plano del anillo son paralelos en el marco de reposo del anillo, no lo serán en el marco de reposo de la barra.


(Ferraro 2007):

De ese modo, la barra no contraída pasará a través del anillo contraído por Lorentz, puesto que el plano del anillo estará girando con respecto a la barra en una cantidad suficiente, como para dejar pasar a la barra.

En términos matemáticos, puede considerarse que una transformación de Lorentz se podría separar en el resultado entre el producto de una rotación espacial y una transformación de Lorentz "adecuada" (que no implica rotación espacial). La resolución matemática de la paradoja de la "barra y el anillo" se basa en el hecho de que, el producto de estas transformaciones de Lorentz "adecuadas" (horizontal y vertical) puede igualmente producir una pseudo transformación de Lorentz que no es tal (diagonal), siendo lo que se denomina "no propia", al incluir una rotación espacial (no adecuada).

Ver también

  • Paradoja de la nave espacial de Bell
  • Paradoja de Eherenfest
  • Paradoja física
  • Relatividad de la simultaneidad
  • Paradoja de los gemelos
  • Paradoja de Supplee

Notas

  1. a b c Rindler, Wolfgang (1961). «Length Contraction Paradox». American Journal of Physics 29 (6): 365-366. Bibcode:1961AmJPh..29..365R. doi:10.1119/1.1937789.  Error en la cita: Etiqueta <ref> no válida; el nombre «lengthcontraction» está definido varias veces con contenidos diferentes
  2. Rindler describes a rod that experiences simultaneous acceleration
  3. Edwin F. Taylor; John Archibald Wheeler (1992). Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity. New York: W. H. Freeman. pp. 116. ISBN 0-7167-2327-1. 

Referencias

Otras lecturas

  • Edwin F. Taylor y John Archibald Wheeler, Física del espacio-tiempo (2.ª ed.) (Freeman, Nueva York, 1992)
- analiza varias paradojas aparentes de la RS y sus soluciones

Enlaces externos

  • Animaciones de relatividad especial de John de Pillis. Esta paradoja interactiva animada del tren y el túnel, es análoga a la paradoja del poste (tren) y el granero (túnel).

Plantilla:Relativity