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Paradoja de los gemelos: observadores en contra de la órbita de la Tierra

Imagina tres observadores: uno (A) estacionario en la superficie de la Tierra (latitud 0 grados) y otros dos que orbitan el planeta en la misma órbita circular ecuatorial sólo que en sentido contrario. Cuando los observadores en órbita B y C se encuentran justo encima del observador A, todos sus relojes están sincronizados. Cuando vuelvan a encontrarse, ¿qué mostrarán sus relojes? Se mueven uno respecto al otro, pero experimentan igual aceleración y potencial gravitatorio. ¿Los observadores en órbita tendrán su reloj sincronizado todo el tiempo? Si los intervalos de tiempo difieren, ¿quién mide más tiempo y por qué? Supongamos que la Tierra no gira y tiene una simetría esférica perfecta.

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Daniel Broekman Puntos 1951

Interesante pregunta... con los supuestos que has especificado, obviamente los observadores B y C tendrán la misma hora en sus relojes cuando se vuelvan a encontrar porque sus situaciones son idénticas. El observador A, en cambio, tiene que mantenerse en su sitio con un cohete o algo así, por lo que no está en un marco de referencia inercial. En base a eso, A tendrá una hora diferente en su reloj cuando los tres se vuelvan a encontrar.

Veamos qué dicen las matemáticas. Dada una Tierra esférica y no giratoria, podemos utilizar la métrica de Schwarzschild para describir el espaciotiempo fuera de ella.

$$c^2\mathrm{d}\tau^2 = \biggl(1 - \frac{r_s}{r}\biggr)c^2\mathrm{d}t^2 - \biggl(1 - \frac{r_s}{r}\biggr)^{-1}\mathrm{d}r^2 - r^2(\mathrm{d}\theta^2 + \sin^2\theta\,\mathrm{d}\phi^2)$$

Para las trayectorias espaciotemporales de los tres observadores, $\mathrm{d}r = 0$ (porque se mantienen en un radio constante) y $\mathrm{d}\phi = 0$ (porque orbitan en un solo plano). Así que un poco de álgebra te lleva a

$$\frac{\mathrm{d}\tau}{\mathrm{d}t} = \sqrt{\biggl(1 - \frac{r_s}{r}\biggr) - \frac{r^2}{c^2}\biggl(\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\biggr)^2}$$

En esta fórmula, $r$ es igual a la coordenada radial de los tres observadores, $c$ es la velocidad de la luz, y $r_s$ es el radio de Schwarzschild de la Tierra. Los tres son constantes. Lo único que difiere de un observador a otro es la velocidad angular de las coordenadas $\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}$ que es algo así como la velocidad angular medida por un observador lejano. Para el observador B, esto será igual a alguna constante $\omega$ para C será igual a $-\omega$ y para A será cero. Esto significa que $\frac{\mathrm{d}\tau}{\mathrm{d}t}$ es igual para B y C, y ligeramente mayor para A.

Ahora, esta cantidad $\frac{\mathrm{d}\tau}{\mathrm{d}t}$ es la velocidad a la que el tiempo propio ( $\tau$ ) transcurre en relación con el tiempo de las coordenadas ( $t$ ). El tiempo de coordenadas es, de nuevo, básicamente el que mediría un observador lejano. Así, cada vez que los tres observadores A,B,C se encuentran, el encuentro tiene lugar en el mismo tiempo de coordenadas para los tres. Sin embargo, el adecuado tiempo $\tau$ que es el tiempo que cada observador mide internamente, es no lo mismo para los tres. El hecho de que $\frac{\mathrm{d}\tau}{\mathrm{d}t}$ es mayor para el observador A significa que para una cantidad dada de tiempo de coordenadas (como, por ejemplo, el intervalo entre dos encuentros sucesivos de los tres observadores), A experimentará más tiempo que B o C. Así que si los observadores empiezan con relojes sincronizados, cuando se vuelvan a encontrar, A encontrará que su reloj está un poco adelantado respecto a los relojes de B y C.

Si tienes curiosidad por los números: puede que no tengamos suficiente precisión para obtener un resultado exacto, pero puedo hacer esto sólo para mostrar cómo funcionaría el cálculo. Introduzcamos el radio de Schwarzschild de la Tierra de $r_s = 8.9\text{ mm}$ y el radio orbital de, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional en $r = 6750\text{ km}$ (media aproximada). También podemos utilizar el Velocidad orbital de la ISS de $r\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} = 7.68\ \mathrm{\frac{km}{s}}$ para los observadores B y C. Eso da los siguientes índices:

$$\begin{align}\frac{\mathrm{d}\tau_A}{\mathrm{d}t} &= 1 - 1.2027\times 10^{-8} & \frac{\mathrm{d}\tau_{B,C}}{\mathrm{d}t} &= 1 - 1.2355\times 10^{-8}\end{align}$$

La diferencia asciende a $3\times 10^{-10}$ . Así, en un período orbital de 90 minutos, el reloj de A se adelantaría al de B o C en 1,7 microsegundos. Pero, de nuevo, no estoy seguro de que este número sea necesariamente fiable porque estamos hablando de muy números pequeños aquí, y algunos de los efectos de GR que he descuidado pueden contribuir.

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Gracias por la respuesta detallada. ¿Cómo vería o calcularía toda la situación uno de los observadores en órbita (en lugar de Schwarzschild lejos de la Tierra)? Supongo que para él/ella (B) el reloj de C tendrá diferente ritmo pero que la dilatación debida a la velocidad relativa se promedia durante la órbita?

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Todo lo que he calculado aquí es la diferencia entre los relojes de los distintos observadores que se acumula a lo largo de una órbita. Dado que todos los observadores se encuentran en la misma posición después de la órbita, esta cantidad es la misma independientemente de quién la observe, es decir, no hay ningún observador lejano en realidad. El cálculo te dice lo que los propios A,B,C medirían realmente. Por supuesto, un observador lejano también vería lo mismo.

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Ahora bien, si quisieras calcular la velocidad a la que transcurre el tiempo para C según lo observado por B, tendrías que hacer un cálculo más complicado utilizando la métrica de Kerr, porque B observa que la Tierra está girando respecto a su propio marco inercial. Puedo intentar añadir eso (cuando tenga tiempo) si quieres.

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Michael Steele Puntos 201

En cuanto hay alguna gravitación o aceleración hay que utilizar la relatividad general y los efectos simples de dilatación del tiempo que se obtienen en la relatividad especial no están presentes (es decir, ya no son tan simples).

De hecho, el escenario que describes es equivalente a la paradoja de los gemelos estándar, con la excepción de que tus gemelos se aceleran suavemente el uno con respecto al otro y de que hay simetría entre los gemelos (¿triplos?) B y C. La resolución de la paradoja de los gemelos es que para que el gemelo que viaja regrese debe acelerar y eso va en contra de los supuestos de la relatividad especial.

Lo bueno de tu ejemplo es que demuestra que el problema de la paradoja de los gemelos no es que se rompa la simetría entre ellos, sino que haya aceleración o gravitación.

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Jeff Solomon Puntos 1

B y C tendrán el mismo tiempo, pero el tiempo de A será diferente. Será más rápido, si B y C están en una órbita suficientemente baja, o más lento si están en una órbita suficientemente alta. Debes usar GTR si la gravedad está involucrada

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Bagrat Puntos 81

Un problema interesante. La referencia A, la estática, puede ser omitida. Los otros que están orbitando la Tierra, experimentarán la misma fuerza gravitacional, y ambos relojes se ven igualmente afectados, por lo que la RG no puede contribuir a ninguna diferencia.
La órbita es circular y, a primera vista, exige una aceleración.
¿Es así? No, en mi opinión. Aunque están sometidos a fuerzas, la gravitatoria y la centrípeta, se anulan mutuamente y la fuerza neta es nula en la dirección radial. Si los motores están apagados, la aceleración tangencial también es nula.
Simplemente siguen la "geodésica", en caída libre.
El problema es claramente simétrico a todos los niveles, y la RS es suficiente.
En el momento en que se crucen pueden enviar un mensaje con la hora del reloj y verán que marcan la misma hora. El Sr. David en su respuesta ya dijo lo que le pasa al reloj de A que se quedó en la superficie de la Tierra.
Cambiaré su posición a la misma altitud de los otros que están orbitando. Si va a una posición estacionaria con respecto a la superficie de la Tierra que no gira, debe aplicar motores para contrarrestar el efecto de la gravitación, con la misma cantidad de fuerza. Pero, a pesar de ello, ¿se acelera el observador? No, imo, por la misma razón que sufre una fuerza neta nula en todas las direcciones.
¿La RS es suficiente? Saque sus propias conclusiones.

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