Light: it's the fastest thing in the universe, but we can still measure its speed if we slow down the animation, we can analyze light's motion using a space-time diagram, which takes a flipbook of animation panels, and turns them on their side. In this lesson, we'll add the single experimental fact that whenever anyone measures just how fast light moves, they get the same answer: 299,792,458 meters every second, which means that when we draw light on our space-time diagram, it's world line always has to appear at the same angle. But we saw previously that speed, or equivalently world line angles, change when we look at things from other people's perspective. To explore this contradiction, let's see what happens if I start moving while I stand still and shine the laser at Tom. First, we'll need to construct the space-time diagram. Yes, that means taking all of the different panels showing the different moments in time and stacking them up. From the side, we see the world line of the laser light at its correct fixed angle, just as before. So far, so good. But that space-time diagram represents Andrew's perspective. What does it look like to me? In the last lesson, we showed how to get Tom's perspective moving all the panels along a bit until his world line is completely vertical. But look carefully at the light world line. The rearrangement of the panels means it's now tilted over too far. I'd measure light traveling faster than Andrew would. But every experiment we've ever done, and we've tried very hard, says that everyone measures light to have a fixed speed. So let's start again. In the 1900s, a clever chap named Albert Einstein worked out how to see things properly, from Tom's point of view, while still getting the speed of light right. First, we need to glue together the separate panels into one solid block. This gives us our space-time, turning space and time into one smooth, continuous material. And now, here is the trick. What you do is stretch your block of space-time along the light world line, then squash it by the same amount, but at right angles to the light world line, and abracadabra! Tom's world line has gone vertical, so this does represent the world from his point of view, but most importantly, the light world line has never changed its angle, and so light will be measured by Tom going at the correct speed. This superb trick is known as a Lorentz transformation. Yeah, more than a trick. Slice up the space-time into new panels and you have the physically correct animation. I'm stationary in the car, everything else is coming past me and the speed of light works out to be that same fixed value that we know everyone measures. On the other hand, something strange has happened. The fence posts aren't spaced a meter apart anymore, and my mom will be worried that I look a bit thin. But that's not fair. Why don't I get to look thin? I thought physics was supposed to be the same for everyone. Yes, no, it is, and you do. All that stretching and squashing of space-time has just muddled together what we used to think of separately as space and time. This particular squashing effect is known as Lorentz contraction. Okay, but I still don't look thin. No, yes, you do. Now that we know better about space-time, we should redraw what the scene looked like to me. To you, I appear Lorentz contracted. Oh but to you, I appear Lorentz contracted. Yes. Uh, well, at least it's fair. And speaking of fairness, just as space gets muddled with time, time also gets muddled with space, in an effect known as time dilation. No, at everyday speeds, such as Tom's car reaches, actually all the effects are much, much smaller than we've illustrated them. Oh, yet, careful experiments, for instance watching the behavior of tiny particles whizzing around the Large Hadron Collider confirmed that the effects are real. And now that space-time is an experimentally confirmed part of reality, we can get a bit more ambitious. What if we were to start playing with the material of space-time itself? We'll find out all about that in the next animation.
La luz: la cosa más rápida en el universo, pero todavía podemos medir su velocidad si retrasamos la animación, podemos analizar el movimiento de la luz utilizando un diagrama de espacio-tiempo, que toma un librito de paneles de animación, y lo ponemos de lado. En esta lección, vamos a añadir el hecho experimental único de que cada vez que alguien mide la velocidad de la luz obtiene la misma respuesta: 299 792 458 metros por segundo, lo que significa que cuando dibujamos la luz en nuestro diagrama de espacio-tiempo, su línea de universo siempre tiene que aparecer en el mismo ángulo. Pero vimos anteriormente que la velocidad, o equivalente los ángulos de las líneas de universo, cambian cuando miramos las cosas desde la perspectiva de otras personas. Para explorar esta contradicción, vamos a ver qué pasa si me empiezo a mover mientras yo me quedo quieto e ilumino a Tom con un láser. En primer lugar, tendremos que construir el diagrama espacio-tiempo. Sí, eso significa tomar todos los diferentes paneles que muestran los diferentes momentos en el tiempo y apilarlos. De un lado, vemos la línea de universo de la luz láser en su ángulo fijo correcto, al igual que antes. Hasta ahora, todo bien. Pero ese diagrama espacio-tiempo representa la perspectiva de Andrew. ¿Qué es lo que parece a mí? En la lección anterior, mostramos cómo conseguir la perspectiva de Tom moviendo todos los paneles hasta que su línea de universo sea completamente vertical. Pero presten atención a la línea de universo de luz. La reordenación de los paneles significa que ahora está sobreinclinada demasiado. Yo mido la luz que viaja más rápido que lo que Andrew haría. Pero todos los experimentos que hemos hecho, y hemos intentado muy duro, dicen que todo el mundo mide la misma velocidad de la luz. Así que vamos a empezar de nuevo. En la década de 1900, un tipo inteligente llamado Albert Einstein trabajó en la manera de ver las cosas correctamente, desde el punto de vista de Tom, mientras que sigue recibiendo la misma velocidad de la luz. En primer lugar, tenemos que pegar los paneles separados en un bloque sólido. Esto nos da nuestro espacio-tiempo, convertido en espacio y tiempo un material suave y continuo. Y ahora, aquí está el truco. Lo que hace es estirar su bloque de espacio-tiempo a lo largo de la línea de universo de luz, luego aplastarlo en la misma cantidad, pero en ángulo recto con la línea del universo de luz, y ¡abracadabra! Línea de universo de Tom se ha vuelto vertical, así que esto sí representa el mundo desde su punto de vista, pero lo más importante, la línea del universo de luz nunca ha cambiado su punto de vista, y así la luz medida por Tom será la velocidad correcta. Este magnífico truco es conocido como una transformación de Lorentz. Sí, más que un truco, rebana el espacio-tiempo en nuevos paneles y tendrás la animación físicamente correcta. Estoy parado en el coche, todo lo demás viene a mí y la velocidad de la luz resulta ser el mismo valor fijo que sabemos que todos medirán. Por otra parte, algo extraño ha sucedido. Los postes de la cerca no están ya espaciados a un metro de distancia, y mi mamá va a estar preocupada que me veo un poco delgado. Pero eso no es justo. ¿Por qué no consigo yo verme delgado? Pensé que la física se suponía que era la misma para todo el mundo. Sí, no, lo es y lo hace. Todo el estiramiento y aplastamiento del espacio-tiempo solo acaba juntando todo lo que solíamos pensar por separado como el espacio y el tiempo. Este efecto de aplastamiento particular, se conoce como contracción de Lorentz. Está bien, pero yo todavía no me veo delgado No, sí, lo eres. Ahora que sabemos más sobre el espacio-tiempo, debemos redibujar cómo se ve la escena para mí. Para ti, yo aparezco Lorentz contraido. Ah, pero a ti, parezco Lorentz contraido. Sí. Uh, bueno, al menos es justo. Y hablando de equidad, así como el espacio se confunde con el tiempo, el tiempo también se confunde con el espacio, en un efecto conocido como dilatación del tiempo. No, a velocidades de todos los días, como el coche de Tom que llega, En realidad todos los efectos son mucho, mucho más pequeños de lo que nosotros les hemos mostrado. Oh, y sin embargo, experimentos cuidadosos, para observar el comportamiento de diminutas partículas zumbando alrededor del Gran Colisionador de Hadrones confirmaron que los efectos son reales. Y ahora que el espacio-tiempo es una parte confirmado experimentalmente de la realidad, podemos ser un poco más ambiciosos. ¿Qué pasaría si tuviéramos que empezar a jugar con el material del propio espacio-tiempo? Lo sabremos todo esto en la siguiente animación.