Hacia el espacio-tiempo tetradimensional            Las matemáticas juegan...   La paradoja de los gemelos




                      Hacia la relatividad especial (y III)

                                 José Antonio Pastor González

                                                 CPR de Cehegín
                                           Lunes 7 de noviembre de 2011


                         La geometría del espacio-tiempo:
                una introducción al pensamiento de Albert Einstein
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                                           Contenidos



       1    Hacia el espacio-tiempo tetradimensional


       2    Las matemáticas juegan...


       3    La paradoja de los gemelos
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       1    Hacia el espacio-tiempo tetradimensional


       2    Las matemáticas juegan...


       3    La paradoja de los gemelos
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                               Unidades geométricas
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                  Consecuencias de estas unidades
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      Una nueva visión de las transformaciones
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       1    Hacia el espacio-tiempo tetradimensional


       2    Las matemáticas juegan...


       3    La paradoja de los gemelos
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                 Experimento de la Simultaneidad
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           La aparición del intervalo como algo
                         absoluto
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                           ¿Cómo calibrar los ejes?
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                             Calibración de los ejes
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                    La contracción de longitudes
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                                      El reloj láser...
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   Causas antes que efectos... o efectos antes
                  que causas
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                               Una primera solución
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El cono de luz como región del espacio-tiempo
                   causal
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       1    Hacia el espacio-tiempo tetradimensional


       2    Las matemáticas juegan...


       3    La paradoja de los gemelos
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                               Planteamiento inicial



              Diana y Apolo son dos hermanos gemelos aunque Diana
              es más viajera y quiere visitar la estrella α-centauro
              Planifican el viaje; la nave de Diana es capaz de viajar a
              0, 8c y la distancia Tierra-Estrella es de 4 años-luz.
              Cuando en la Tierra (en el sistema Tierra-Estrella-Apolo)
              hayan pasado 5 años Diana estará en su destino
              Primera pregunta: ¿qué tiempo transcurre para Diana en
              ese viaje?
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                               Planteamiento inicial



              Diana y Apolo son dos hermanos gemelos aunque Diana
              es más viajera y quiere visitar la estrella α-centauro
              Planifican el viaje; la nave de Diana es capaz de viajar a
              0, 8c y la distancia Tierra-Estrella es de 4 años-luz.
              Cuando en la Tierra (en el sistema Tierra-Estrella-Apolo)
              hayan pasado 5 años Diana estará en su destino
              Primera pregunta: ¿qué tiempo transcurre para Diana en
              ese viaje?
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                               Planteamiento inicial



              Diana y Apolo son dos hermanos gemelos aunque Diana
              es más viajera y quiere visitar la estrella α-centauro
              Planifican el viaje; la nave de Diana es capaz de viajar a
              0, 8c y la distancia Tierra-Estrella es de 4 años-luz.
              Cuando en la Tierra (en el sistema Tierra-Estrella-Apolo)
              hayan pasado 5 años Diana estará en su destino
              Primera pregunta: ¿qué tiempo transcurre para Diana en
              ese viaje?
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          Tres formas de responder: la primera
              Sea A el suceso Diana sale de la Tierra y B el suceso
              Diana llega a la Estrella
              Según Apolo (sistema Tierra-Estrella) han pasado 5 años
              en su reloj entre A y B. Pero Apolo quiere saber cuánto
              marca el reloj que Diana lleva en su nave. Como éste está
              en movimiento respecto de Apolo, la lectura (5) que hace
              Apolo de la separación temporal entre A y B está dilatada
              con respecto a la de Diana (<5)
              Conclusión: el viaje desde el punto de vista de Diana dura
              menos. ¿Cuánto? Pues el dado por t0 donde
                                               t0
                                                         =5
                                             1 − β2

              Así t0 = 3 que es el tiempo que mide Diana en su reloj
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          Tres formas de responder: la primera
              Sea A el suceso Diana sale de la Tierra y B el suceso
              Diana llega a la Estrella
              Según Apolo (sistema Tierra-Estrella) han pasado 5 años
              en su reloj entre A y B. Pero Apolo quiere saber cuánto
              marca el reloj que Diana lleva en su nave. Como éste está
              en movimiento respecto de Apolo, la lectura (5) que hace
              Apolo de la separación temporal entre A y B está dilatada
              con respecto a la de Diana (<5)
              Conclusión: el viaje desde el punto de vista de Diana dura
              menos. ¿Cuánto? Pues el dado por t0 donde
                                               t0
                                                         =5
                                             1 − β2

              Así t0 = 3 que es el tiempo que mide Diana en su reloj
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          Tres formas de responder: la primera
              Sea A el suceso Diana sale de la Tierra y B el suceso
              Diana llega a la Estrella
              Según Apolo (sistema Tierra-Estrella) han pasado 5 años
              en su reloj entre A y B. Pero Apolo quiere saber cuánto
              marca el reloj que Diana lleva en su nave. Como éste está
              en movimiento respecto de Apolo, la lectura (5) que hace
              Apolo de la separación temporal entre A y B está dilatada
              con respecto a la de Diana (<5)
              Conclusión: el viaje desde el punto de vista de Diana dura
              menos. ¿Cuánto? Pues el dado por t0 donde
                                               t0
                                                         =5
                                             1 − β2

              Así t0 = 3 que es el tiempo que mide Diana en su reloj
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          Tres formas de responder: la segunda

              La contracción de longitudes está dada por la fórmula

                                                 =    0    1 − β2

              En este caso, 0 = 4 años/luz, pero desde el punto de vista
              de Diana ocurre que

                                           = 4 × 0, 6 = 2, 4 años/luz

              Como la velocidad sigue siendo β = 0, 8, entonces el
              tiempo empleado por Diana es

                                             2, 4/0, 8 = 3 años
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          Tres formas de responder: la segunda

              La contracción de longitudes está dada por la fórmula

                                                 =    0    1 − β2

              En este caso, 0 = 4 años/luz, pero desde el punto de vista
              de Diana ocurre que

                                           = 4 × 0, 6 = 2, 4 años/luz

              Como la velocidad sigue siendo β = 0, 8, entonces el
              tiempo empleado por Diana es

                                             2, 4/0, 8 = 3 años
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          Tres formas de responder: la segunda

              La contracción de longitudes está dada por la fórmula

                                                 =    0    1 − β2

              En este caso, 0 = 4 años/luz, pero desde el punto de vista
              de Diana ocurre que

                                           = 4 × 0, 6 = 2, 4 años/luz

              Como la velocidad sigue siendo β = 0, 8, entonces el
              tiempo empleado por Diana es

                                             2, 4/0, 8 = 3 años
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          Tres formas de responder: la tercera



              Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y
              Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente:
              El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S
              El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S
              Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se
              cumple tB − tA = 3
              Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal
              es invariante
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          Tres formas de responder: la tercera



              Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y
              Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente:
              El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S
              El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S
              Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se
              cumple tB − tA = 3
              Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal
              es invariante
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          Tres formas de responder: la tercera



              Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y
              Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente:
              El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S
              El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S
              Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se
              cumple tB − tA = 3
              Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal
              es invariante
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          Tres formas de responder: la tercera



              Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y
              Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente:
              El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S
              El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S
              Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se
              cumple tB − tA = 3
              Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal
              es invariante
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          Tres formas de responder: la tercera



              Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y
              Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente:
              El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S
              El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S
              Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se
              cumple tB − tA = 3
              Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal
              es invariante
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                                     Otra perspectiva

              El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene
              S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo
              observa que Diana tarda 5 años en llegar
              La pregunta es...
              Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años
              en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido
              para Apolo?
              Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales
              de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo
              también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE
              OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE
              CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO
              EN EL RELOJ DE APOLO
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                                     Otra perspectiva

              El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene
              S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo
              observa que Diana tarda 5 años en llegar
              La pregunta es...
              Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años
              en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido
              para Apolo?
              Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales
              de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo
              también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE
              OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE
              CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO
              EN EL RELOJ DE APOLO
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                                     Otra perspectiva

              El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene
              S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo
              observa que Diana tarda 5 años en llegar
              La pregunta es...
              Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años
              en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido
              para Apolo?
              Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales
              de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo
              también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE
              OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE
              CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO
              EN EL RELOJ DE APOLO
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                                     Otra perspectiva

              El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene
              S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo
              observa que Diana tarda 5 años en llegar
              La pregunta es...
              Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años
              en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido
              para Apolo?
              Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales
              de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo
              también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE
              OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE
              CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO
              EN EL RELOJ DE APOLO
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                              ¿Cuánto más pequeño?

               Simplemente, es el valor t0 dado por
                                               t0
                                                         =3
                                             1 − β2

               por lo que t0 = 3 × 0, 6 = 1, 8 años
               Esto es, cuando Diana llega a la estrella, ELLA OBSERVA
               QUE EN LA TIERRA HAN TRANSCURRIDO
               ÚNICAMENTE 1,8 años
               Es lo natural... debemos esperar simetría (si cuando1
               Apolo observa 5, Diana ha vivido 3, entonces cuando2
               Diana observa 3, Apolo ha vivido 1,8)


          1
              Apolo–simultáneos
          2
              Diana–simultáneos
Hacia el espacio-tiempo tetradimensional   Las matemáticas juegan...   La paradoja de los gemelos



                              ¿Cuánto más pequeño?

               Simplemente, es el valor t0 dado por
                                               t0
                                                         =3
                                             1 − β2

               por lo que t0 = 3 × 0, 6 = 1, 8 años
               Esto es, cuando Diana llega a la estrella, ELLA OBSERVA
               QUE EN LA TIERRA HAN TRANSCURRIDO
               ÚNICAMENTE 1,8 años
               Es lo natural... debemos esperar simetría (si cuando1
               Apolo observa 5, Diana ha vivido 3, entonces cuando2
               Diana observa 3, Apolo ha vivido 1,8)


          1
              Apolo–simultáneos
          2
              Diana–simultáneos
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                              ¿Cuánto más pequeño?

               Simplemente, es el valor t0 dado por
                                               t0
                                                         =3
                                             1 − β2

               por lo que t0 = 3 × 0, 6 = 1, 8 años
               Esto es, cuando Diana llega a la estrella, ELLA OBSERVA
               QUE EN LA TIERRA HAN TRANSCURRIDO
               ÚNICAMENTE 1,8 años
               Es lo natural... debemos esperar simetría (si cuando1
               Apolo observa 5, Diana ha vivido 3, entonces cuando2
               Diana observa 3, Apolo ha vivido 1,8)


          1
              Apolo–simultáneos
          2
              Diana–simultáneos
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                            En el viaje de regreso...


              Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa
              a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al
              cuadrado nada debe variar...
              Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse
              (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los
              políticos y los medios):
              Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6:
              ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN
              Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo
              1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
Hacia el espacio-tiempo tetradimensional   Las matemáticas juegan...   La paradoja de los gemelos



                            En el viaje de regreso...


              Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa
              a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al
              cuadrado nada debe variar...
              Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse
              (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los
              políticos y los medios):
              Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6:
              ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN
              Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo
              1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
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                            En el viaje de regreso...


              Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa
              a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al
              cuadrado nada debe variar...
              Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse
              (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los
              políticos y los medios):
              Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6:
              ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN
              Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo
              1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
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                            En el viaje de regreso...


              Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa
              a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al
              cuadrado nada debe variar...
              Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse
              (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los
              políticos y los medios):
              Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6:
              ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN
              Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo
              1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?



              En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos
              sistemas de referencia?
              ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o
              viceversa?
              Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí
              habría SIMETRÍA
              Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?



              En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos
              sistemas de referencia?
              ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o
              viceversa?
              Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí
              habría SIMETRÍA
              Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?



              En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos
              sistemas de referencia?
              ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o
              viceversa?
              Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí
              habría SIMETRÍA
              Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?



              En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos
              sistemas de referencia?
              ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o
              viceversa?
              Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí
              habría SIMETRÍA
              Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?


              Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la
              vuelta y regresa
              También es cierto que Diana observa que Apolo (en la
              Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa...
              Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que
              experimenta Apolo
              DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene
              que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO
              SIEMPRE ES INERCIAL
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?


              Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la
              vuelta y regresa
              También es cierto que Diana observa que Apolo (en la
              Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa...
              Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que
              experimenta Apolo
              DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene
              que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO
              SIEMPRE ES INERCIAL
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?


              Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la
              vuelta y regresa
              También es cierto que Diana observa que Apolo (en la
              Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa...
              Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que
              experimenta Apolo
              DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene
              que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO
              SIEMPRE ES INERCIAL
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                    Situación simétrica... ¿sí o no?


              Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la
              vuelta y regresa
              También es cierto que Diana observa que Apolo (en la
              Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa...
              Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que
              experimenta Apolo
              DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene
              que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO
              SIEMPRE ES INERCIAL
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                             La bandeja de pasteles


              Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan
              regalarse unos pasteles a la vuelta...
              Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera
              el regreso de su hermana para regalárselos
              Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los
              está viendo todo el tiempo...
              Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que
              se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba
              para Apolo están espachurrados
Hacia el espacio-tiempo tetradimensional   Las matemáticas juegan...   La paradoja de los gemelos



                             La bandeja de pasteles


              Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan
              regalarse unos pasteles a la vuelta...
              Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera
              el regreso de su hermana para regalárselos
              Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los
              está viendo todo el tiempo...
              Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que
              se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba
              para Apolo están espachurrados
Hacia el espacio-tiempo tetradimensional   Las matemáticas juegan...   La paradoja de los gemelos



                             La bandeja de pasteles


              Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan
              regalarse unos pasteles a la vuelta...
              Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera
              el regreso de su hermana para regalárselos
              Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los
              está viendo todo el tiempo...
              Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que
              se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba
              para Apolo están espachurrados
Hacia el espacio-tiempo tetradimensional   Las matemáticas juegan...   La paradoja de los gemelos



                             La bandeja de pasteles


              Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan
              regalarse unos pasteles a la vuelta...
              Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera
              el regreso de su hermana para regalárselos
              Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los
              está viendo todo el tiempo...
              Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que
              se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba
              para Apolo están espachurrados
de la paradoja
 Hacia el espacio-tiempo tetradimensional   Las matemáticas juegan...   La paradoja de los gemelos



                      Un esquema espacio-temporal
El n´mero de felicitaciones por a˜o nuevo
    u                            n
 Hacia el espacio-tiempo tetradimensional                  Las matemáticas juegan...                  La paradoja de los gemelos



                  Ilustración de un efecto Doppler
      Vemos que Diana recibe 10 felicitaciones. Diana recibe s´lo una antes de llegar a α Centauro, cuando hab´ pasado 3 a˜os, just
                                                              o                                               ıan         n

      de dar la vuelta. Las 9 restantes le llegan durante su viaje de vuelta a raz´n de una cada 1/3 a˜o (4 meses).
                                                                                  o                   n

Curso relatividad CPR Cehegín: día 3

  • 1.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Hacia la relatividad especial (y III) José Antonio Pastor González CPR de Cehegín Lunes 7 de noviembre de 2011 La geometría del espacio-tiempo: una introducción al pensamiento de Albert Einstein
  • 2.
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  • 3.
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  • 4.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Unidades geométricas
  • 5.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Consecuencias de estas unidades
  • 6.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Una nueva visión de las transformaciones
  • 7.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Contenidos 1 Hacia el espacio-tiempo tetradimensional 2 Las matemáticas juegan... 3 La paradoja de los gemelos
  • 8.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Experimento de la Simultaneidad
  • 9.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos La aparición del intervalo como algo absoluto
  • 10.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos ¿Cómo calibrar los ejes?
  • 11.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Calibración de los ejes
  • 12.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos La contracción de longitudes
  • 13.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos El reloj láser...
  • 14.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Causas antes que efectos... o efectos antes que causas
  • 15.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Una primera solución
  • 16.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos El cono de luz como región del espacio-tiempo causal
  • 17.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Contenidos 1 Hacia el espacio-tiempo tetradimensional 2 Las matemáticas juegan... 3 La paradoja de los gemelos
  • 18.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Planteamiento inicial Diana y Apolo son dos hermanos gemelos aunque Diana es más viajera y quiere visitar la estrella α-centauro Planifican el viaje; la nave de Diana es capaz de viajar a 0, 8c y la distancia Tierra-Estrella es de 4 años-luz. Cuando en la Tierra (en el sistema Tierra-Estrella-Apolo) hayan pasado 5 años Diana estará en su destino Primera pregunta: ¿qué tiempo transcurre para Diana en ese viaje?
  • 19.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Planteamiento inicial Diana y Apolo son dos hermanos gemelos aunque Diana es más viajera y quiere visitar la estrella α-centauro Planifican el viaje; la nave de Diana es capaz de viajar a 0, 8c y la distancia Tierra-Estrella es de 4 años-luz. Cuando en la Tierra (en el sistema Tierra-Estrella-Apolo) hayan pasado 5 años Diana estará en su destino Primera pregunta: ¿qué tiempo transcurre para Diana en ese viaje?
  • 20.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Planteamiento inicial Diana y Apolo son dos hermanos gemelos aunque Diana es más viajera y quiere visitar la estrella α-centauro Planifican el viaje; la nave de Diana es capaz de viajar a 0, 8c y la distancia Tierra-Estrella es de 4 años-luz. Cuando en la Tierra (en el sistema Tierra-Estrella-Apolo) hayan pasado 5 años Diana estará en su destino Primera pregunta: ¿qué tiempo transcurre para Diana en ese viaje?
  • 21.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la primera Sea A el suceso Diana sale de la Tierra y B el suceso Diana llega a la Estrella Según Apolo (sistema Tierra-Estrella) han pasado 5 años en su reloj entre A y B. Pero Apolo quiere saber cuánto marca el reloj que Diana lleva en su nave. Como éste está en movimiento respecto de Apolo, la lectura (5) que hace Apolo de la separación temporal entre A y B está dilatada con respecto a la de Diana (<5) Conclusión: el viaje desde el punto de vista de Diana dura menos. ¿Cuánto? Pues el dado por t0 donde t0 =5 1 − β2 Así t0 = 3 que es el tiempo que mide Diana en su reloj
  • 22.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la primera Sea A el suceso Diana sale de la Tierra y B el suceso Diana llega a la Estrella Según Apolo (sistema Tierra-Estrella) han pasado 5 años en su reloj entre A y B. Pero Apolo quiere saber cuánto marca el reloj que Diana lleva en su nave. Como éste está en movimiento respecto de Apolo, la lectura (5) que hace Apolo de la separación temporal entre A y B está dilatada con respecto a la de Diana (<5) Conclusión: el viaje desde el punto de vista de Diana dura menos. ¿Cuánto? Pues el dado por t0 donde t0 =5 1 − β2 Así t0 = 3 que es el tiempo que mide Diana en su reloj
  • 23.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la primera Sea A el suceso Diana sale de la Tierra y B el suceso Diana llega a la Estrella Según Apolo (sistema Tierra-Estrella) han pasado 5 años en su reloj entre A y B. Pero Apolo quiere saber cuánto marca el reloj que Diana lleva en su nave. Como éste está en movimiento respecto de Apolo, la lectura (5) que hace Apolo de la separación temporal entre A y B está dilatada con respecto a la de Diana (<5) Conclusión: el viaje desde el punto de vista de Diana dura menos. ¿Cuánto? Pues el dado por t0 donde t0 =5 1 − β2 Así t0 = 3 que es el tiempo que mide Diana en su reloj
  • 24.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la segunda La contracción de longitudes está dada por la fórmula = 0 1 − β2 En este caso, 0 = 4 años/luz, pero desde el punto de vista de Diana ocurre que = 4 × 0, 6 = 2, 4 años/luz Como la velocidad sigue siendo β = 0, 8, entonces el tiempo empleado por Diana es 2, 4/0, 8 = 3 años
  • 25.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la segunda La contracción de longitudes está dada por la fórmula = 0 1 − β2 En este caso, 0 = 4 años/luz, pero desde el punto de vista de Diana ocurre que = 4 × 0, 6 = 2, 4 años/luz Como la velocidad sigue siendo β = 0, 8, entonces el tiempo empleado por Diana es 2, 4/0, 8 = 3 años
  • 26.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la segunda La contracción de longitudes está dada por la fórmula = 0 1 − β2 En este caso, 0 = 4 años/luz, pero desde el punto de vista de Diana ocurre que = 4 × 0, 6 = 2, 4 años/luz Como la velocidad sigue siendo β = 0, 8, entonces el tiempo empleado por Diana es 2, 4/0, 8 = 3 años
  • 27.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la tercera Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente: El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se cumple tB − tA = 3 Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal es invariante
  • 28.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la tercera Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente: El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se cumple tB − tA = 3 Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal es invariante
  • 29.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la tercera Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente: El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se cumple tB − tA = 3 Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal es invariante
  • 30.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la tercera Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente: El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se cumple tB − tA = 3 Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal es invariante
  • 31.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Tres formas de responder: la tercera Transformaciones de Lorentz para Apolo (sistema S) y Diana (sistema S’) nos dan lo siguiente: El suceso A tiene coordenadas (0, 0)S y (0, 0)S El suceso B tiene coordenadas (4, 5)S y (0, 3)S Para S se tiene tB − tA = 5 mientras que para S se cumple tB − tA = 3 Curiosidad: observemos que el intervalo espacio-temporal es invariante
  • 32.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Otra perspectiva El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo observa que Diana tarda 5 años en llegar La pregunta es... Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido para Apolo? Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO EN EL RELOJ DE APOLO
  • 33.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Otra perspectiva El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo observa que Diana tarda 5 años en llegar La pregunta es... Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido para Apolo? Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO EN EL RELOJ DE APOLO
  • 34.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Otra perspectiva El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo observa que Diana tarda 5 años en llegar La pregunta es... Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido para Apolo? Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO EN EL RELOJ DE APOLO
  • 35.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Otra perspectiva El suceso B (Diana llega a la estrella) tiene S-coordenadas (4, 5) y es por esto por lo que Apolo observa que Diana tarda 5 años en llegar La pregunta es... Cuando Diana llega a la estrella y han pasado tres años en su reloj... ¿qué tiempo observa ella que ha transcurrido para Apolo? Por simetría, como Apolo observa las medidas temporales de Diana dilatadas, entonces Diana verá las de Apolo también dilatadas. ES DECIR, LOS TRES AÑOS QUE OBSERVA DIANA EN SU RELOJ SE CORRESPONDERÁN CON UN TIEMPO MÁS PEQUEÑO EN EL RELOJ DE APOLO
  • 36.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos ¿Cuánto más pequeño? Simplemente, es el valor t0 dado por t0 =3 1 − β2 por lo que t0 = 3 × 0, 6 = 1, 8 años Esto es, cuando Diana llega a la estrella, ELLA OBSERVA QUE EN LA TIERRA HAN TRANSCURRIDO ÚNICAMENTE 1,8 años Es lo natural... debemos esperar simetría (si cuando1 Apolo observa 5, Diana ha vivido 3, entonces cuando2 Diana observa 3, Apolo ha vivido 1,8) 1 Apolo–simultáneos 2 Diana–simultáneos
  • 37.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos ¿Cuánto más pequeño? Simplemente, es el valor t0 dado por t0 =3 1 − β2 por lo que t0 = 3 × 0, 6 = 1, 8 años Esto es, cuando Diana llega a la estrella, ELLA OBSERVA QUE EN LA TIERRA HAN TRANSCURRIDO ÚNICAMENTE 1,8 años Es lo natural... debemos esperar simetría (si cuando1 Apolo observa 5, Diana ha vivido 3, entonces cuando2 Diana observa 3, Apolo ha vivido 1,8) 1 Apolo–simultáneos 2 Diana–simultáneos
  • 38.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos ¿Cuánto más pequeño? Simplemente, es el valor t0 dado por t0 =3 1 − β2 por lo que t0 = 3 × 0, 6 = 1, 8 años Esto es, cuando Diana llega a la estrella, ELLA OBSERVA QUE EN LA TIERRA HAN TRANSCURRIDO ÚNICAMENTE 1,8 años Es lo natural... debemos esperar simetría (si cuando1 Apolo observa 5, Diana ha vivido 3, entonces cuando2 Diana observa 3, Apolo ha vivido 1,8) 1 Apolo–simultáneos 2 Diana–simultáneos
  • 39.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos En el viaje de regreso... Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al cuadrado nada debe variar... Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los políticos y los medios): Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6: ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo 1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
  • 40.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos En el viaje de regreso... Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al cuadrado nada debe variar... Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los políticos y los medios): Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6: ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo 1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
  • 41.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos En el viaje de regreso... Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al cuadrado nada debe variar... Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los políticos y los medios): Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6: ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo 1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
  • 42.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos En el viaje de regreso... Según Apolo (resp. Diana) la velocidad β (resp. −β) pasa a ser −β (resp. β) pero como en las fórmulas está al cuadrado nada debe variar... Por tanto, cuando Apolo y Diana vuelven a encontrarse (suceso C) tienen las siguientes versiones (como los políticos y los medios): Según Apolo, para él han pasado 10 años y para Diana 6: ELLA ES CUATRO AÑOS MÁS JOVEN Según Diana, para ella han pasado 6 años y para Apolo 1, 8 + 1, 8 = 3, 6: ÉL ES 2,4 AÑOS MÁS JOVEN
  • 43.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos sistemas de referencia? ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o viceversa? Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí habría SIMETRÍA Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
  • 44.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos sistemas de referencia? ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o viceversa? Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí habría SIMETRÍA Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
  • 45.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos sistemas de referencia? ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o viceversa? Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí habría SIMETRÍA Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
  • 46.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? En otras palabras... ¿podemos distinguir entre los dos sistemas de referencia? ¿Hay algo físico que le ocurre a Diana y no a Apolo o viceversa? Observemos que si el viaje fuera en un único sentido sí habría SIMETRÍA Pero la CLAVE está en el cambio de sentido...
  • 47.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la vuelta y regresa También es cierto que Diana observa que Apolo (en la Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa... Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que experimenta Apolo DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO SIEMPRE ES INERCIAL
  • 48.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la vuelta y regresa También es cierto que Diana observa que Apolo (en la Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa... Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que experimenta Apolo DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO SIEMPRE ES INERCIAL
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    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la vuelta y regresa También es cierto que Diana observa que Apolo (en la Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa... Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que experimenta Apolo DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO SIEMPRE ES INERCIAL
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    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Situación simétrica... ¿sí o no? Es cierto que Apolo observa que Diana se va, luego da la vuelta y regresa También es cierto que Diana observa que Apolo (en la Tierra) se aleja respecto de ella y que luego regresa... Sin embargo, Diana experimenta cosas distintas a las que experimenta Apolo DIANA deja de ser un SISTEMA INERCIAL cuando tiene que frenar para dar la vuelta y volver a acelerar... APOLO SIEMPRE ES INERCIAL
  • 51.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos La bandeja de pasteles Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan regalarse unos pasteles a la vuelta... Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera el regreso de su hermana para regalárselos Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los está viendo todo el tiempo... Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba para Apolo están espachurrados
  • 52.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos La bandeja de pasteles Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan regalarse unos pasteles a la vuelta... Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera el regreso de su hermana para regalárselos Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los está viendo todo el tiempo... Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba para Apolo están espachurrados
  • 53.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos La bandeja de pasteles Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan regalarse unos pasteles a la vuelta... Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera el regreso de su hermana para regalárselos Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los está viendo todo el tiempo... Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba para Apolo están espachurrados
  • 54.
    Hacia el espacio-tiempotetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos La bandeja de pasteles Olvidé deciros que antes de partir, ambos acuerdan regalarse unos pasteles a la vuelta... Apolo se los coloca a su lado... ¡cómo huelen! Pero espera el regreso de su hermana para regalárselos Diana también los pone en el salpicadero de su nave... los está viendo todo el tiempo... Sin embargo, cuando vuelven a encontrarse, la única que se come los pasteles es Diana porque los que ella llevaba para Apolo están espachurrados
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    de la paradoja Hacia el espacio-tiempo tetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Un esquema espacio-temporal
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    El n´mero defelicitaciones por a˜o nuevo u n Hacia el espacio-tiempo tetradimensional Las matemáticas juegan... La paradoja de los gemelos Ilustración de un efecto Doppler Vemos que Diana recibe 10 felicitaciones. Diana recibe s´lo una antes de llegar a α Centauro, cuando hab´ pasado 3 a˜os, just o ıan n de dar la vuelta. Las 9 restantes le llegan durante su viaje de vuelta a raz´n de una cada 1/3 a˜o (4 meses). o n