Justo en aquellos días la oscuridad se cernía sobre los científicos al no poder comprender como las ecuaciones de Newton empezaban a tambalearse, especialmente en el ámbito que concierne a las leyes de Maxwell del electromagnetismo. Para explicar el por qué de esto es imprescindible conocer algo sobre relatividad newtoniana, y quizás una de las primeras ecuaciones que conocemos en nuestra vida:
Espacio = velocidad / tiempo
Empecemos por el concepto de relatividad, subámonos a un coche, ya que podemos imaginar, elegid el que más os guste, yo me conformo con un Ferrari. Pues bien, antes de arrancar nuestro bólido, podemos ver a la gente caminar por la calle, centrémonos en uno de ellos, el que peor os caiga, y observáis su velocidad, pasa a vuestro lado a unos 4km/h, y resulta que se ríe de nosotros mientras nos deja atrás, esto nos molesta, y decidimos ir a su caza, nos acercamos a él y nos ponemos a la misma velocidad, podremos mirarle cara a cara, tal y como si estuviese parado a nuestro lado, ÉSTO es la relatividad.
El concepto de relativo se basa en que todo depende del punto de vista con el que se observe un mismo hecho. Es curioso que aún sabiendo que el coche está en movimiento podamos pensar que estamos quietos respecto al hombre burlón, y que para cualquier otra persona que estuviese parada observándonos, los 2 estaríamos en movimiento. Pues en ésta idea tan obvia, proveniente de Galileo, reside el que fue el inicio de la destrucción de la física conocida hasta el siglo XIX.
Se dice, se cuenta, se rumorea que Einstein en su juventud pensó en éste mismo hecho, pero su idea daba un paso más allá, él se movía a la velocidad de la luz y a su lado había un rayo de luz, y la gran idea sobrevino, ¿cómo sería ver un rayo de luz a su misma velocidad, como si estuviese quieta?
Difícil respuesta (cuando explique algo de cuántica quizás quede más claro), pero aquí reside el aire fresco que eliminaría las sombras que tanto acechaban a los físicos del momento, estas nubes oscuras venían de seguramente el experimento más famoso de los últimos siglos, el experimento de Michelson-Morley, vamos a comentarlo:
Hasta el siglo XIX, la relatividad de Galileo y las leyes Newtonianas respondían a todas las necesidades y a su vez eran ratificadas por todos y cada uno de los experimentos hechos hasta entonces, pero una vez desarrolladas las leyes de Maxwell y la luz definida como onda, el mundo físico no concebía como podía existir una onda en un medio inmaterial como es el vacio, ya que todas las ondas conocidas necesitaban un medio material para su difusión (por ejemplo el sonido en el aire, agua y tierra), así que quedándose más anchos que largos, decidieron inventarse un material al que llamaron éter, el nombre alude al mismo elemento material que Aristóteles definió para abarcar las extensiones entre planetas . El éter debía ser sin duda un medio único en el universo, tan elástico y poco denso como para ser capaz de dejar pasar a la luz a una velocidad que sería inconcebible en cualquier otro que no fuese él. Pero nadie era capaz de demostrar su existencia, simplemente estaba ahí porque concordaba con la realidad, lo que quiera que sea esto último.
La idea de Michelson-Morley tiene cierta simetría con las corrientes en un río, si un cuerpo flotante es introducido en un río se ve arrastrado por la corriente, si ese cuerpo tiene una velocidad constante (imaginemos una barca con motor), se mueve a mayor velocidad si es a favor de la corriente del río y a menor velocidad si tiene que ir río arriba. Así pues si en vez de la barca motora, fuese la luz la que estuviese dentro de un medio como el éter, al ir en la dirección del “viento del éter” debería adquirir mayor velocidad que si va en contra de éste (Podríais pensar que el éter no tiene por qué moverse, y es cierto, pero como tenemos conciencia de que la tierra sí lo hace, y existe una velocidad relativa entre algo quieto y algo en movimiento, o entre dos cosas con distinta velocidad, como en el ejemplo del Ferrari y el viandante, podemos asegurar que esos “vientos” deberían estar presentes, la segunda opción que peca de geocentrista, sería que de cierta manera la tierra arrastrase al éter existiendo una velocidad relativa nula entre ellos, pero como decimos es algo “bastante” improbable ).
Nuestros intrépidos experimentadores se pusieron manos a la obra para intentar detectar esos cambios de velocidad, sin duda la metodología para captar los ínfimos cambios de velocidad son dignos de mención, pero me remito a la Wikipedia o compañía para que lo veáis, que tendrán gráficos y mejores palabras que las mías. El spoiler del experimento viene aquí:
LA VELOCIDAD DE LA LUZ NO VARÍA.
Algo fallaba, nadie sabía exactamente el qué, pero la respuesta no tardaría en llegar de la mano de nuestro alemán preferido. Lo cierto es que después del hachazo que produjo Michelson, se desarrolló una corriente que empezaba a atisbar la solución a este dilema, y entre ellos estuvo Lorentz, quién desarrolló una teoría matemática que parcheaba temporalmente el problema, su criatura recibió el nombre de transformación de Lorentz , y de cierta forma anticipaba la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein.
Aquí viene la mejor parte de la historia, Einstein fue el único “ser humano”, por llamarlo algo, que fue capaz de darle sentido a todo este dolor de cabeza. Si la velocidad de la luz no varía, quería decir simplemente eso, que era constante, algo tan simple pero tan antinewtoniano que hasta hoy en día, un siglo más tarde, nos cuesta entenderlo. Parece un cambio ínfimo, pero aplicando la transformación de Lorentz a la Física, se llega a conclusiones fascinantes, y más fascinantes fueron sus creadores, sobre todo por el acto de fe que requería creer en ellas, contradiciendo todo lo anteriormente dicho por Newton, y sin prueba alguna que refutase los resultados aparentemente correctos obtenidos a lo largo de siglos.
Y estas ideas tan estrambóticas son las que proponían los resultados producidos ,resultados tales como que la masa de un cuerpo crece cuando está en movimiento con respecto a otro observador de referencia, al que le daremos el status de estar en reposo, tales como la afirmación de que en esas mismas condiciones de movimiento, un cuerpo reduce su longitud cuanto mayor es su velocidad, deducciones como la equivalencia masa-energía con la famosa ecuación E=mc² y por consecuencia directa, la limitación de la velocidad de cualquier cuerpo a la velocidad de la luz, necesitando cantidades ingentes de energía para simplemente acercarse a c (para entender mejor la razón matemática de éste límite le remito a la Transformación de Lorentz) y la mejor de todas, la joya de la corona de la Teoría, es la magnífica idea de que cuando un cuerpo está en movimiento, el tiempo pasa más lento para éste; la consecuencia final e inicial de la Teoría es que el tiempo y el espacio son la misma cosa, desde ahora definida espacio-tiempo, que se dilataba relativamente según la velocidad que mantuviese un cuerpo con respecto a otro. La multitud de experimentos que avalan ésta teoría, hoy en día son más que suficientes para creer en ella a ciegas, y la dificultad de observar estos hechos en nuestro entorno es mucho mayor. Que la humanidad tardase hasta el siglo XX en darse cuenta de todo esto no nos debería sorprender si tenemos en cuenta que para observar los resultados derivados de la Teoría Especial de la Relatividad necesitamos movernos a velocidades próximas a la de la luz, algo que es una asignatura pendiente en nuestro haber.
Gracias a Einstein, a partir de 1905 los creadores de historias podían imaginar hermanos gemelos que se separaban al viajar uno al espacio y quedarse el otro en tierra, y al volver a casa encontrarse con la sorpresa de que es 50 años más joven que su hermano terrestre, puesto que en el trayecto espacial ha adquirido velocidades altísimas y el tiempo pasó lentamente para él. Tenga en cuenta, querido lector, que en ningún momento se viaja atrás o adelante en el tiempo, simplemente, en un marco relativo entre los 2 sujetos, para uno pasa el tiempo más lentamente que para el otro, pero si la vida de los dos fuese de justamente 80 años, los dos vivirán esa cantidad y no más, el tiempo que ganas no es absoluto, el verdadero suceso es que tus movimientos son más lentos cuanto mayor es tu velocidad con respecto al observador en reposo.
Y no hace falta irse a la ciencia-ficción para que ocurran estos sucesos, realmente cuando estés en movimiento, tu tiempo es ligeramente más pausado que el de otra persona en reposo, como las velocidades que podemos alcanzar por medios naturales son del orden de la milmillonésima parte de la velocidad de la luz, la variación es inapreciable.
Ahora me gustaría adentrarme en lo que realmente significa que el espacio-tiempo sea la misma cosa. Está claro que el espacio y el tiempo son conceptos íntimamente ligados, no puedes quedar con tu pareja en la cafetería de abajo sin decirle una hora determinada en la que la cita tendrá lugar(lo más probable es que no te encontrase y se fuese con otro), al igual que no es lo mismo una plato de fabada recién puesta en la mesa que esa misma fabada en la misma mesa 3 años después (algunas propiedades de la materia varían con el tiempo, por experiencia sabemos que estará más rica recién puesta en el plato que si esperamos a que agentes ambientales la descompongan, así que sí importa el tiempo en el que la fabada se encuentra, son fabadas distintas la de ahora que la de 3 años más tarde).
La materia adquiere una dimensión espaciotemporal, y en cada instante evoluciona en los dos aspectos. Para definir un objeto necesitamos dar ésta información. Voy a darle una vuelta más de tuerca y si os parece bien, ahora voy a hacer un pequeño experimento, que diríais si os digo que en este momento os estáis moviendo a la velocidad de la luz, me da igual saber si estáis sentados en un sillón o tumbados en la cama leyendo esto, tanto igual que si estáis en un choche, tren o avión. Estoy afirmando que sin lugar a dudas poseéis una velocidad de 300.000.000 m/s… lo más seguro me tomaríais por loco, cerraríais la ventana y pasaríais a hacer cosas más interesantes que leer a un chiflado, pero si no lo habéis hecho aún, tengo una oportunidad para explicar mi osadía. Si el espacio-tiempo es el marco en el que nos movemos y os afirmo que vuestra velocidad y la de toda la materia existente en nuestro universo, hasta de las piedras, es la constante de velocidad de la luz,¿la cosa cambia? Esta singular idea viene de entender que nuestro universo no posee sólo 3 dimensiones espaciales, sino que si usamos el término correcto, el espacio-tiempo, requerimos de 4 dimensiones, 3 espaciales y 1 temporal, como os dije antes, tenemos que quedar en la cafetería de abajo (con ancho, profundidad y altura) y a cierta hora (tiempo).
Esto todavía no explica por qué afirmo que nos movemos tan rápido, incluso estando parados, y no lo notamos, pero para hacéroslo entender necesitaría que conocieseis lo que es un vector, o al menos que tengáis en mente una flecha colocada en el espacio, con ancho, profundidad y altura. En matemáticas un vector tiene proyecciones respecto a los ejes coordenados (x,y,z), lo que significa que podemos descomponerlo en la suma de 3 vectores que representan el ancho, profundidad y altura. Pues bien si ahora tenemos en cuenta que nuestro universo, según la Teoría de la Relatividad, posee 4 dimensiones, podríamos descomponer ese mismo vector en 4, 3 espaciales y 1 temporal, y si os comento que el vector representa la velocidad de un cuerpo, que es constante y de valor c, la suma total de todas las proyecciones debe ser ese valor.
Ahora empezareis a entender el por qué de tanto rollo con los vectores, pongámonos en situación, para los que estáis leyendo desde el sofá o la cama (quietos), podríamos afirmar que vuestra velocidad es 0 para las componentes espaciales, ya que no os estáis desplazando hacia ningún lado con lo que todo el valor de c debe estar en vuestra componente temporal, así que el tiempo pasa rápido para vosotros, tanto como para una persona que os observe en reposo relativo.
El siguiente grupo de lectores son aquellos que van en algún medio de locomoción, si os movéis a velocidad constante en alguna dirección determinada, las dimensiones espaciales x,y,z (supongamos “x” para izquierda-derecha, “y” para adelante-atrás y “z” para arriba-abajo) tendrán valores en proporción a la velocidad que desarrolláis en este momento, y por lo tanto el valor temporal tendrá un valor igual al resultado de sustraer la velocidad que tenéis en el espacio a la velocidad de la luz, lo que significa que como predijo Einstein, si un cuerpo adquiere velocidad, el tiempo pasa más lentamente para él, que para otro que esté en reposo.
Para mi conocer esto, fue el momento de mayor éxtasis causado por conocimiento que jamás he tenido. No tengo palabras para expresar la elegancia que me evoca este resultado, la medida del tiempo y espacio respecto a un sistema absoluto, la explicación más simple y más bonita a toda la Relatividad Especial de Einstein, es, sin lugar a dudas, la idea que gustaría explicar a la gente para que conociese de cierta forma el universo en el que viven, lejos de televisión, violencia, problemas medioambientales, y más cerca de la esencia de la vida, del tiempo, del por qué de toda ésta gran maquinaria, o al menos del cómo.
