La Relatividad, para inexpertos. Parte 3: Principios y Teorías

Con los dos principios que presentamos en el primer capítulo, y que en conjunto se conocen como Teoría Especial de la Relatividad, Einstein cambió en buena parte la visión que tenemos del Universo. Sin embargo, el concepto de relatividad ya había sido acuñado tiempo atrás por otro gigante de la ciencia:

Relatividad de Galileo

El Italiano Galileo Galilei (1564-1642), había demostrado que en un vehículo que se mueve a velocidad constante y que avanza en línea recta, los resultados de los experimentos sobre mecánica serían los mismos que en reposo.

Si imaginamos dos científicos, uno situado en un barco y el otro en tierra firme, podemos comprobar esta afirmación. Supongamos que el barco se mueve a 15 Kilómetros por hora, y se lanza una bola desde su interior con una velocidad de 10 kilómetros por hora, en la misma dirección en que avanza el barco. Entonces el científico del barco medirá que la velocidad de esa bola es de 10 Kilómetros por hora con relación a sí mismo. Al mismo tiempo, cuando el científico de tierra firme lanza otra bola a 10 Kilómetros por hora, obtendrá el mismo resultado con su bola que el del barco con la suya.

Los experimentos mecanicos son equivalentes en el barco y en tierra

Por otro lado, si el científico de la costa observa el experimento del barco, medirá que aquella bola se mueve a 25 kilómetros por hora, puesto que comprobará que, con relación a su propia posición inmóvil, los 10 kilómetros por hora de la bola se suman a los 15 del barco. Del mismo modo, el del barco verá que la bola lanzada en tierra firme se mueve a 25 kilómetros por hora con relación al barco si este se mueve en el mismo sentido de la bola, o a 5 Kilómetros por hora si el sentido es el contrario.

Así pues, las velocidades serán iguales para cada uno dentro de su entorno, pero relativas si el que está en movimiento observa al que está en reposo, o viceversa.

Relatividad especial de Einstein

Albert Einstein dio un paso más. Recordemos los dos postulados de su teoría presentada en 1905:

1- La luz se mueve siempre a una velocidad constante de 300.000 Kilómetros por segundo en el vacío, independiente de la velocidad de la fuente que la emita.

2- No existe ningún experimento posible en un vehículo que nos permita saber si nos estamos moviendo a velocidad constante y en línea recta.

El primer principio

El primer principio puede resultar sorprendente, pero ya se había intuido previamente tras los experimentos de Michaelson y Morley que vimos el anterior capítulo. Desde entonces se han diseñado infinidad de experimentos que han demostrado tal afirmación. Si nosotros vamos en un coche a 100 Kilómetros por hora y encendemos los faros, la velocidad de la luz de esos faros, medida desde fuera, no será de 300.000+100 kilómetros por hora, seguirá siendo de trescientos mil.

Experimento Michelson-Morley

También hay que tener en cuenta que la velocidad de la luz es siempre la misma en el vacío, es decir, en lugares como el espacio exterior. Pero a la hora de atravesar ciertos cristales, gases o líquidos se puede ver frenada al ser afectada por los mismos. Por ejemplo, en el agua la velocidad es de aproximadamente 225000 kilómetros por segundo, y en un cristal típico de unos doscientos mil.

La luz viaja más despacio en el agua que en el vacío

Por suerte, el aire que respiramos suele ser lo suficientemente transparente como para que la velocidad de la luz sea la misma que en el vacío, lo cual ha permitido realizar experimentos con ella sin necesidad de abandonar la atmósfera terrestre ni de fabricar complicados laboratorios.

El segundo principio

El segundo principio se puede enunciar más formalmente de esta forma: “los efectos de las leyes físicas deben resultar iguales para cualquier observador que viaja a velocidad constante y en línea recta”. Parece, en un primer vistazo, que no dice nada que no hubiera ya explicado Galileo, sin embargo, donde Galileo hablaba de mecánica, Einstein habla de todas las leyes físicas. De hecho, en tiempos de Galileo no había teoría sobre gravitación ni sobre electromagnetismo.

Einstein ya conocía que la Teoría de Gravitación de Newton respondía a este segundo principio. La fuerza con que dos objetos se atraen depende única y exclusivamente de sus masas y de la distancia que los separa, no de la velocidad uniforme a la que se mueven.

Entonces, se preguntó porqué no iba a ocurrir lo mismo con el Electromagnetismo de Maxwell y con la Gravitación de Newton. Si dos partículas cargadas eléctricamente se atraen o repelen con una cierta intensidad, sólo ha de depender de su carga y su distancia, y no de sus velocidades uniformes respectivas.

Después Einstein siguió por el camino trazado por Galileo, lo aplicó a todas las leyes físicas y expuso que no podemos saber si el barco se mueve con relación a la costa o, por el contrario la costa con relación al barco. Es decir, que el reposo no existe.

Reposo

El concepto de reposo queda eliminado de un plumazo con el segundo postulado de Einstein. No hay experimento posible que nos indique si estamos moviéndonos a velocidad uniforme o si estamos parados.

Lo cierto es que el reposo absoluto no existe en el Universo. Aunque estemos cómodamente tumbados en el sofá, nos movemos porque la Tierra lo hace rotando sobre sí misma y alrededor del Sol. El Sol se mueve alrededor del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, y esta se está separando de las demás desde el principio de los tiempos.

Pero en relatividad la cosa va más allá. Si yo voy en tren y me estoy alejando de la estación a velocidad constante, las leyes físicas serán las mismas dentro del tren que dentro de la estación, por tanto, no hay experimento posible que demuestre que lo que se mueve es el tren con respecto a la estación y no la estación con respecto al tren. Entonces, la estación no es una referencia válida para decir que el tren se mueve con relación a ella, porque en realidad podría estar ocurriendo lo contrario. El hecho de moverse o no moverse no es referencia para nada.

Es tan válido decir que se mueve el tren como que se mueve la estación

La aportación clave de Einstein fue explicar que la única referencia inamovible es la velocidad de la luz, la cual siempre es la misma en el vacío, independientemente de si su fuente emisora se mueve deprisa, despacio o está parada.

A partir de todo esto, Einstein sacó consecuencias espectaculares concernientes al tiempo a la velocidad y al espacio. Las cuales veremos el próximo capítulo concluyendo con la Teoría Especial de la Relatividad