El observador


Durante los últimos días se ha hablado mucho en el blog acerca del concepto de “observador“. Aunque es un tema muy interesante se presta a mucha controversia. Sin embargo, cuando en física se habla de observador se tiene un concepto bien definido matemáticamente.

El problema con el concepto de “observador” es que el uso cotidiano de esta palabra nos puede llevar a engaño.  En física un observador no “observa” nada, no es más que un constructo abstracto que nos permite identificar posiciones y tiempos (en física clásica).

En esta entrada pretendemos dar una sencilla explicación de qué es un observador, qué es un observador inercial y qué papel juega en la física Newtoniana y relativista, tanto especial como general.

¿Qué no es un observador?

Un observador no es:

a)  Una única partícula.

b)  Alguien que tiene “inteligencia” y puede dar sentido a medidas sobre sistemas físicos.

Es decir, un observador no es “alguien que entiende lo que está pasando”.

¿Qué sí es un observador?

Cuando en física hablamos de un observador nos referimos a la posibilidad de asignar coordenadas y tiempos a los sucesos de un sistema físico. Así, podemos pensar que al decir “observador” nos referimos a que hemos elegido un sistema de reglas y relojes en cada posición del espacio.

Para precisar más, a este sistema de referencia coordenado se le exigen varias características:

1.-  La distancia entre dos puntos P y Q es independiente del tiempo.

2.-  Los relojes marchan todos al mismo ritmo y están sincronizados.

3.-  La geometría del espacio (a tiempo constante fijado) es Euclídea.

¿Existe esto?

Pues esta pregunta hay que resolverla con los experimentos. La cuestión principal es qué característica dinámica tienen que tener los observadores para que cumplan estas propiedades mencionadas.

Si nos fijamos en la teoría Newtoniana y tomamos la fórmula fundamental de la misma:

F=ma

Notamos que no depende de la velocidad del sistema sino de su aceleración. De hecho podríamos tener dos observadores, cada uno con su sistema de reglas y relojes, que se estuvieran moviendo (todo el conjunto) uno respecto al otro a velocidad constante y preguntarles qué fuerza sufre un sistema de masa m que ha sido acelerado una cantidad a.  La respuesta de ambos sería F.

Lo anterior nos dice que la velocidad relativa (constante) entre observadores no afecta a la ley de Newton.   La cosa cambia si los observadores están acelerados.

Esto, grosso modo, es lo que hemos sentido todos al ir en un tren, coche, avión, etc.  Cuando perdemos la referencia y el tren se mueve a velocidad constante es complicado decir si somos nosotros los que nos movemos o es el exterior lo que se mueve en sentido contrario. Sin embargo, si la cosa acelera lo notamos enseguida, ¿verdad?

La cuestión es que eso nos permite distinguir dos tipos de observadores:

a) Los observadores en movimiento rectilíneo uniforme — Observadores Inerciales.

b)  Los observadores acelerados — Observadores No Inerciales.

Según la definición que hemos dado antes la aceleración no jugaba ningún papel.  Esto es porque su influencia en la definición está escondida. El punto clave es que no se pueden mantener todos los relojes en cada punto sincronizados. Y, además, Einstein mostró que si teníamos un campo gravitatorio no se podían cumplir las tres propiedades del observador inercial que hemos escrito al principio.

¿Para qué queremos entonces el concepto de observador inercial?

Por lo siguiente:

Einstein nos dijo que un observador en caída libre en cada punto de su trayectoria (caída) se comporta como un observador inercial.  Pero en cuanto nos movemos un poco vemos las cosas diferir de lo que sería razonable en un contexto inercial.

Recurramos al ejemplo del ascensor:

Según la relatividad especial un observador inercial (en movimiento rectilíneo uniforme o en reposo respecto a otro) verá que los rayos de luz se propagan en línea recta.  Si uno de ellos está acelerado o en un campo gravitatorio verá como el rayo de luz se curva.

Ahora bien, si la aceleración o el campo gravitatorio es muy débil la curvatura del rayo será muy, muy pequeña.  Y en cierta aproximación el observador será inercial.

Volviendo a la imagen del sistema coordenado de reglas y relojes la cuestión esencial es:

a) Un observador totalmente inercial puede extender al infinito esta red de reglas y relojes.

b)  Si no es totalmente inercial esta red tendrá una extensión mayor o menor en función del grado de “inercialidad” del observador. Pero en el ámbito en el que podamos usar esta construcción la física será “inercial” dentro de una aproximación razonable.  Y una aproximación es razonable cuando las deducciones teóricas se acomodan a los resultados experimentales y no introducen modificaciones mayores que la sensibilidad y/o precisión de las medidas llevadas a cabo.

Por este motivo a veces diremos que nuestro laboratorio es un observador inercial. Otras veces lo será el Sol, la galaxia, etc.  Podemos asociar observadores inerciales a lo que queramos (siempre que sean partículas con masa en reposo no nula) teniendo en cuenta que para ello despreciamos algunas cosas como campos gravitatorios o aceleraciones. Todo está bien siempre y cuando mantengamos el control sobre la concordancia teórico/experimental.

Finalizando

El concepto de observador no es algo trivial y aún hoy hay discusiones científico/filosóficas al respecto. Y eso que no hemos hablado del sentido del observador en cuántica, que eso ya es de volverse locos.

Pero lo que debe de quedar claro es que un observador no es más que un sistema coordenado que nos permite medir tiempos y coordenadas espaciales de los sucesos físicos.  No tiene nada que ver con observar con nuestros ojos.

Nos seguimos leyendo…

 

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24 Respuestas a “El observador

  1. A ver Pedro y Caspolino, vamos a intentar tener un encuentro en nuestra perspectiva de la relatividad y de un observador inercial. He sido una más en participar en la “tontería” de los neutrinos, luego me incluyo. Os recuerdo que esta cuestión viene de atrás y no me felicito por lo que expuse pues tengo verdadera pasión por Einstein y discrepé con el título. Me pareció que todo había quedado un poco en el aire, que no fuimos concluyentes y de ahí mi “enfado” también conmigo misma. Aquí os lo facilito:

    https://cuentos-cuanticos.com/2012/07/27/la-relatividad-especial-esta-mal-como-todos-sabemos/

    A lo largo del tema volví a recobrar mi síntonía con la relatividad. Por lo que quería pediros dos cosas, abusando de vuestro tiempo y vuestra paciencia.

    Una, recomendaros este audio del profesor Manuel Lozano Leyva, físico teórico y nuclear, gran conocecedor y divulgador de la relatividad, de la figura de Einstein y quien creo hace un buen repaso de todo lo que han significado los sistemas de referencia inerciales desde Galileo, Newton a Einstein.

    http://www.ivoox.com/fisica-einstein-manuel-lozano-leyva-audios-mp3_rf_354225_1.html

    Otra cuestión, fundamentalmente a la atención de Pedro pues es mi sueño haber viajado en el tiempo al pasado y haberla formulado a Einstein. Va a ser una tontería y es un poco tarde. Creo la escribo mañana y de verdad, admito toda crítica. Me gusta la crítica. Me gusta la ciencia porque en ella todo está sometido a la crítica y se comprende muy bien el valor positivo y el sentido necesario de la crítica.

    Con el profesor Leyva no estoy de acuerdo o discrepo en que la paradoja de los gemelos esté mal planteada. A mi me encaja perfectamente con la relatividad y es sobre lo que quiero contar “mi pequeña tontería” de mañana.

  2. Dices: “Estais hablando de tonterías sobre los neutrinos precisamente cuando han sido recientemente el tema más controvertido de la física de nuestro siglo en el que se ha visto involucrada toda la comunidad científica para determinar precisamente su velocidad.”
    ¿Tonterías? ¿por qué son tonterías? ¿o es que si se habla de RE está prohibido hablar en la misma frase de Cuántica?
    También dices: “la relatividad y la cuántica son dos mundos no encontrados”
    De eso se trata, de encontrarlos; y para ello hay que quitarse de encima muchos prejuicios conceptuales.

  3. Dices: “Estais hablando de tonterías sobre los neutrinos precisamente cuando han sido recientemente el tema más controvertido de la física de nuestro siglo en el que se ha visto involucrada toda la comunidad científica para determinar precisamente su velocidad.”
    ¿Tonterías? ¿por qué son tonterías? ¿o es que si si habla de RE está prohibido mezclarla con la Cuántica?
    También dices: “la relatividad y la cuántica son dos mundos no encontrados”
    De eso se trata, de encontrarlos; y para ello hay que quitarse de encima muchos prejuicios conceptuales.

    • Relatividad Especial + Teoría cuántica = Teoría cuántica de campos.

      Unir esas teorías no es problemático y además sabemos hacerlo bastante bien.

      • Gracias Cuentos Cuánticos. Intentaré introducirme en el tema.
        ¿podrías recomendarnos algún libro de introducción a la Teoría cuántica de campos para dummies?

        • ¿Cómo vas de cuántica y relatividad?

          • Aunque aún me queda mucho por aprender, me encantan los dos temas y tengo los conceptos bastante claros (no obstante, como habrás visto, me gusta divagar y contradecir para reafirmar conocimientos y conceptos).
            En lo que voy más justo es en matemáticas. (No fui universitario, con lo cual no pasé de las integrales)

  4. umar_gan@hotmail.com

    Que aprendáis cuestiones básicas de física y principio de partida como el de incertidumbre de Heisemberg antes de negar o alegar perfectas tonterías sin base ni fundamento sobre si una partícula cuantica puede ser o no una referencia inercial -ese termino recuerdo lo he utilizado yo para corregir los vuestros-. Estais hablando de tonterías sobre los neutrinos precisamente cuando han sido recientemente el tema más controvertido de la física de nuestro siglo en el que se ha visto involucrada toda la comunidad científica para determinar precisamente su velocidad. Y leer esa pagina lo quie seguramente te cae es grande, porque necesitas asimilar e informarte otros pasos intermedios.

    Para empezar la relatividad y la cuántica son dos mundos no encontrados. Mucho cuidado para querer aplicar propiedades de la cuántica a la relatividad porque entraremos en las magufadas de la nueva era o viceversa, querer extrapolar propiedades de la relatividad sin conocer bien mecanica cuántica porquie nos puede salir un churro como la discusión sin concluir que dejamos en “la relatividad está mal…” título que es una idiotez porque para empezar de la relatividad solo podemos asumir que está incompleta porque su autor falleció antes de conseguirlo y no ha nacido nadie hasta el momento actual capaz de hacerlo. Buenos días.

    • No se que pasa que no aparece el comentario. Lo intentaré por enesima vez.

      Dices: “Estais hablando de tonterías sobre los neutrinos precisamente cuando han sido recientemente el tema más controvertido de la física de nuestro siglo en el que se ha visto involucrada toda la comunidad científica para determinar precisamente su velocidad.”
      ¿Tonterías? ¿por qué son tonterías? ¿o es que si se habla de RE está prohibido hablar en la misma frase de Cuántica?
      También dices: “la relatividad y la cuántica son dos mundos no encontrados”.
      De eso se trata, de encontrarlos; y para ello hay que quitarse de encima muchos prejuicios conceptuales.

      CaspolinoX

    • “Para empezar la relatividad y la cuántica son dos mundos no encontrados.”

      De eso se trata: de encontrarlos.

  5. Agradezco enormemente que hayáis dedicado una entrada al concepto “observador”. Hacía falta, pero… creo que no aclara nada que no estuviese ya aclarado en los comentarios susodichos.

    Al comienzo del artículo comenzáis aclarando qué no es un observador: “Un observador no es una única partícula”
    De forma contradictoria, al final del artículo decís: “Podemos asociar observadores inerciales a lo que queramos (siempre que sean partículas con masa en reposo no nula) teniendo en cuenta que para ello despreciamos algunas cosas como campos gravitatorios o aceleraciones.”

    ¿por qué una única partícula (por ejemplo el neutrino) que tenga masa en reposo no sirve como observador? ¿o sí que sirve?

    Creo que sería muy interesante la aclaración del tema.

    • Voy a intentar responderte. No hay contradicción, lo que nos dice la entrada es que un observador no es un sistema material, sino una especie de sistema de reglas y relojes abstracto. Este sistema se puede asociar a cualquier partícula o conjunto de partículas con masa en reposo no nula, pero no por eso esa partícula o conjunto es el sistema de referencia, simplemente se asocia a él.

      Lo de exigir que tengan masa en reposo es porque no es posible describir físicamente un sistema que viaja a la velocidad de la luz, porque el tiempo en él se detendría. Las partículas con masa en reposo no pueden alcanzar esa velocidad.

      Respecto a los neutrinos, ¿por qué no iban a poder asociarse con un sistema?

      • El Tiempo. Otro gran handicap conceptual que serviría para un gran debate en el foro de CC.
        ¿Qué es el tiempo? ¿Es una magnitud que refleja un cambio? ¿qué tipo de cambio?¿un cambio de lugar, por ejemplo?¿respecto de qué? ¿Es una magnitud que refleja una degradación?¿de qué?
        Si, conceptualmente, damos por hecho (tal cual refleja la RE) que a la velocidad de la luz el tiempo (el local) se para, o lo que es lo mismo, no varía, o no avanza, entonces, por inferencia, tendremos que dar por hecho que el tiempo no refleja, en ningún caso, un cambio de lugar, pues to que de ello también se infiere que el límite inferior del Tiempo de Planck es cero.
        Al no reflejar un cambio de lugar, puede deducirse que el tiempo es el reflejo, o representación, de una degradación, o lo que es lo mismo, el reflejo de un aumento local de la entropía.
        En mi opinión (que por supuesto no tiene valor alguno), cuando Einstein postulaba que a la velocidad de la luz el tiempo se para (o no avanza), en el fondo, quería decir que: los electrones, que giran (a la velocidad de la luz o casi) alrededor de un núcleo atómico, tienden a dar menos vueltas alrededor del núcleo cuando el núcleo está en movimiento, de tal forma que la velocidad absoluta local del electrón siempre es C, y por lo tanto, si, supuestamente (aunque imposible), la velocidad lineal del núcleo de un átomo es C, eso significaría que los electrones que componen el átomo no pueden girar a su alrededor porque si giraran, entonces la velocidad de dichos electrones superaría C, y eso no es posible.

        En definitiva: para avanzar por el camino correcto, en la unificación de la RE y la Mecánica Cuántica, es fundamental cambiar conceptos básicos que actualmente son árboles que no nos dejan ver el bosque.

        • ¿Qué es el tiempo?
          Una magnitud más de las muchas que hay. Está definida como las otras.

          “tendremos que dar por hecho que el tiempo no refleja, en ningún caso, un cambio de lugar”
          Ya hemos dicho que no tiene sentido asignar un sistema de referencia a un fotón.

          “de tal forma que la velocidad absoluta local del electrón siempre es C, y por lo tanto, si, supuestamente (aunque imposible), la velocidad lineal del núcleo de un átomo es C, eso significaría que los electrones que componen el átomo no pueden girar a su alrededor porque si giraran”
          Ni electrón ni núcleo pueden alcanzar C. No tiene sentido entrar en esos supuestos.

          • Mi conjetura es que la velocidad de un electrón alrededor del núcleo atómico se acerca a C, y esa es la causa por la que la corriente eléctrica se acerca a C.
            Sí, ya se que no tengo capacidad para demostrarlo, pero por otro lado creo que tampoco se puede refutar.
            Supongo que lo intentarás refutar mediante Heisenberg, pero ya conoces mi paranoya (conjetura) (hice un pequeño esbozo en el foro de CC): los electrones, como todas las partículas, se mueven cuánticamente (de cuanto en cuanto). La masa (energía) del núcleo atómico es treméndamente grande en relación a su tamaño, lo cual estira el espacio cuantico a su alrededor (esta es la cuasa de la gravedad), por donde los electrones se mueven intentando permanecer en el estado de menor energía posible y al mismo tiempo repeliendo a otros electrones por ser del mismo signo (razón por la que hay varias capas con una cantidad concreta de electrones por capa). Y siempe, siempre, siempre, moviendose (saltando de cuanto en cuanto) a la máxima velocidad posible que llamamos C.

            Dices: “Ni electrón ni núcleo pueden alcanzar C. No tiene sentido entrar en esos supuestos.”

            Einsten y muchos otros entraron en esos supuestos (en suponer que la materia se mueve a gran velocidad) ¿por qué no he de poder entrar yo?

            • “Mi conjetura es que la velocidad de un electrón alrededor del núcleo atómico se acerca a C, y esa es la causa por la que la corriente eléctrica se acerca a C.”
              Dejemos a parte el hecho de que el electrón no es simplemente un punto que gira alrededor del núcleo. No es ‘tu’ conjetura, es algo más que sabido que viaja casi a C. Pero nunca llega a C, es un detalle importante. Lamento que malgastes el tiempo con tu paranoia en lugar de documentarte mejor, porque estás cayendo en errores en los que muchos otros habrán caído ya y que están superados por el conocimiento experimental.

              “Einsten y muchos otros entraron en esos supuestos (en suponer que la materia se mueve a gran velocidad) ¿por qué no he de poder entrar yo?” Siempre sin llegar a C. Además, si hay que tomar a Einstein como ejemplo, que sea por sus habilidades para razonar y demostrar problemas complejos de manera sencilla.

              • pedrokb, no considero que esté malgastando mi tiempo. Cada cual invierte su tiempo en lo que le gusta y puede. A mi me gusta elucubrar al respecto del Universo, y también intento documentarme, aunque no alcanzo el nivel matemático que me gustaría tener para documentarme mejor (esa parte, simplemente, me la creo).

                En todo caso, gracias por tu comentario. Me ha abierto los ojos tu frase: “No es ‘tu’ conjetura, es algo más que sabido que viaja casi a C”
                ¿qué documentación experimental existe al respecto de dicha demostración “más que sabida”? Gracias de antemano.

                • Por supuesto, cada uno debe hacer con su tiempo lo que quiera y guste. No es mi intención que lo que te digo suene maleducado, lo único que quiero es llamarte la atención y que seas consciente de que tu conjetura encaja mejor con las historias de Alicia en el país de las maravillas que con el rigor que exige la física.

                  Con respecto a la pregunta, en cualquier experimento con electrones lo puedes encontrar. Los electrones (libres) viajan cerca de C (salvo energías muy muy bajas). En el núcleo atómico es otra historia mucho más extraña… 😉

  6. Voy a leer este artículo seguro muy interesante. Llevo una semana con el delante y quisiera felicitar a quien eligió esta imagen impecable del observador fuera de la física y también nos pone en antecedente de lo que no debe confundirse en física con punto de referencia, sistema de referencia, observador inercial, etc. Y me recuerda la vieja frase de que una imagen vale más que mil palabras. A seguir así chicos. Sois considerados de lo mejorcito de la red en elaboración escrupulosa de los temas y contribuir a la necesidad de nuestro país, considero prioritaria, de divulgar ciencia. Este ha sido un país que ha vivido muy ignorante, indiferente a la ciencia y solo sumido en creencias, mitos, leyendas urbanas y cuentos de calleja.

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