LA RELATIVIDAD RESTRINGIDA

La idea de relatividad no era tan nueva en tiempos de Einstein. Ya a principios del siglo XVII, Galileo formuló la hipótesis de que el movimiento es una noción relativa. Dijo que, si realizamos experimentos de mecánica en un barco que se mueve en línea recta, es imposible detectar el movimiento del barco.

Y, a finales del mismo siglo XVII, Isaac Newton afirmó que un objeto que no sufre ninguna fuerza permanece inmóvil, o prosigue su movimiento en línea recta a velocidad constante, en lo que se conoce como ‘principio de inercia’.

El principio de inercia no se aplica a todos los sistemas de referencia. Por ejemplo, en un tiovivo, o en un vehículo que toma una curva o que frena, los objetos se desvían. Así, un sistema inercial es cualquier sistema de referencia (o conjunto de ejes imaginarios con los cuales se determina la posición de los objetos, normalmente ligado a un objeto de especial importancia para el experimentador) en el cual es válido el principio de inercia. Por tanto, la Tierra no serín un sistema inercial, ya que gira. Pero, su rotación es tan lenta (una vuelta al día) que en la vida cotidiana podemos asimilarlo a un sistema inercial.

Newton postuló la existencia de un “espacio absoluto”, inmóvil. Y, entonces, los sistemas que se mueven en línea recta y a velocidad constante con respecto a él (movimiento rectilíneo y uniforme) también son inerciales. Por tanto, las leyes de la mecánica se verifican en ellos de manera exacta.

También creía Newton que el tiempo era absoluto y transcurría de manera uniforme en todo punto del espacio. Según él, ningún experimento de mecánica permite detectar si un sistema inercial está o no en movimiento con respecto al espacio absoluto. Es lo que se conoce como del ‘principio de relatividad galileana’.

Galileo creía que la velocidad de la luz era finita, pero como no consiguió medirla, optó por decir simplemente que debía de ser muy grande. En el siglo XIX, se obtuvo un valor para la velocidad de la luz cercano a los 300.000 km/s.

Entonces surgió el debate de si la luz era de naturaleza corpuscular u ondulatoria. La cuestión pareció zanjarse en 1860 por un experimento de los físicos franceses Fizeau y Foucault. La conclusión era que, como la luz se propaga más lentamente cuando penetra en el agua, ello significa que es una onda.

En aquella época, se suponía que una onda exigía un medio de propagación; las ondas van propagándose paulatinamente por deformación del medio (aire, agua…). La pregun ta era entonces: ¿cuál es el medio por el cual se propaga la luz del Sol o de las estrellas hacia la Tierra? A este medio se lo denominó “éter”, si bien nada se sabía de él.

Se presumía que la velocidad de la luz no sería la misma según que se la midiera en el sentido del movimiento de la Tierra o en sentido contrario, ya que la Tierra, al recorrer su órbita, persigue la onda luminosa en un sentido y huye de ella en el otro. Y así, se tenía que encontrar una diferencia de unos 30 km/s al comparar estas dos velocidades. En 1880, el estadounidense Michelson inventó un aparato para detectar esta diferencia. Sin embargo, los resultados determinaban tajantemente que la velocidad no variaba. Así pues, todo ocurría como si la Tierra estuviera constantemente inmóvil en el éter.

Aquel resultado desconcertante continuó incomprendido durante veinticinco años. En el año 1905, Einstein envió cuatro artículos revolucionarios a la revista científica alemana ‘Annalen der Physik’. En el último de ellos, exponía lo que hoy se conoce como la relatividad restringida.

Partiendo de los “ensayos infructuosos destinados a detectar algún movimiento de la Tierra respecto al éter”, sugirió que la inmovilidad absoluta no existe. Y propuso dos postulados básicos para construir su teoría:

1. Las leyes de la física son las mismas en todos los referenciales inerciales. Así pues, no se puede percibir el estado de movimiento de un sistema inercial por medio de experimentos hechos en él, ya que los resultados serán siempre equivalentes. Es el principio de la relatividad, que recuerda la relatividad galileana, pero que se aplica de manera más amplia a todos los fenómenos físicos.

2. La velocidad de la luz en el vacío es independiente del movimiento de la fuente. Es decir, cualquier medida realizada en cualquier referencial inercial dará siempre el mismo valor para dicha velocidad, denominada ‘c’, que se estima actualmente en 299.793 km/s. Para Einstein, es la idea que nos hacemos del espacio y el tiempo lo que causa nuestra incomprensión (recordemos el experimento de Michelson). El espacio y el tiempo absoluto de Newton carecen de realidad física con los postulados de Eisntein.

Hay dos primeras consecuencias inmediatas de los postulados de Einstein:

1. Es imposible moverse más deprisa que la luz. Si viajamos a bordo de una nave espacial que emite un rayo luminoso hacia delante, vemos alejarse la luz a la velocidad c. El ocupante de otra nave espacial nos ve pasar y mide la velocidad de dicha luz, y obtiene también el valor c. Por tanto, concluye que nuestra nave es más lenta que la luz.

2. La simultaneidad es relativa. Supongamos que estamos en nuestra nave espacial y encendemos una bombilla en el centro de la cabina. Como la luz se mueve a la misma velocidad en todas direcciones, la vemos alcanzar en el mismo instante todas las paredes de la cabina. En cambio, el otro observador no estará de acuerdo: como nuestra nave se mueve, la luz tiene que recorrer una distancia menor para llegar a la pared trasera de la cabina que a la delantera, así que llegará antes a la pared trasera. Es decir, que dos acontecimientos simultáneos en un sistema no lo son en el otro.

Según Einstein, la noción de simultaneidad carece de sentido absoluto y, al emplearla, debemos precisar siempre en qué sistema de referencia nos situamos; en nuestro caso, una u otra nave. En definitiva, nos dice Einstein que las medidas de tiempo y de espacio son falseadas por el movimiento.

Empecemos con el tiempo y supongamos un reloj ideal, perfectamente regular, como puede ser un reloj de luz del siguiente tipo: colocando dos espejos frente a frente y enviando un impulso luminoso a uno de ellos, el cual lo refleja hacia el segundo, y así sucesivamente, se consigue unos latidos regulares que dan un tic-tac perfecto, es decir, una medida del tiempo.

Pongamos dos de estos relojes de luz idénticos en dos naves espaciales en movimiento rectilíneo y uniforme la una con respecto a la otra. Los relojes se colocan de tal manera que los espejos sean paralelos al movimiento. Imagina que tú estás en la primera nave y yo en la segunda. Cuando yo te sobrepaso, la luz parte del espejo inferior en los dos relojes. Al cabo de un tiempo, tú ves que los dos haces han recorrido la misma distancia, pero, mientras que la luz de tu reloj ha alcanzado el segundo espejo, la de mi reloj todavía no ha alcanzado el suyo, ya que entretanto mi nave se ha movido respecto a la tuya. El tic-tac de mi reloj te parece retardado. Es decir, el tiempo de un sistema que vemos moverse parece transcurrir más lentamente que el tiempo del sistema en que nos encontramos. Si repetimos el razonamiento suponiendo que soy yo quien observo tu reloj, como tu nave se aleja también de la mía, también yo tendré la impresión de que tu reloj atrasa.

En el límite, si observamos una nave cuya velocidad tendiera a la de la luz, veríamos que su reloj tiende a detenerse, mientras que sus ocupantes verían que es nuestro reloj el que tiende a pararse. Por tanto, podemos decir que el tiempo se dilata, si bien el tiempo que leemos en nuestro reloj parece transcurrir siempre de la misma manera.

La longitud de un cuerpo es la determinación de dónde se encuentran sus extremos en un momento concreto y para un sistema de referencia dado. Pero, así como dos observadores en movimiento relativo no están de acuerdo acerca de la simultaneidad, tampoco lo estarán sobre sus medidas de longitud. Si el tiempo en un sistema en movimiento parece transcurrir la mitad de aprisa, la longitud de los objetos que lo acompañan parece dos veces más corta en la dirección del movimiento. Es decir, el coeficiente de contracción de longvitud es el inverso del coeficiente de dilatación del tiempo. Y, una vez más, los dos observadores pueden decir lo mismo, que cada uno ve “encoger” los objetos en movimiento.

En relatividad restringida, cada suceso da origen a tantas descripciones como referenciales distintos haya. Por suerte, es posible establecer una relación entre los diferentes puntos de vista, gracias a las transformaciones de Lorentz, cuatro relaciones matemáticas que permiten saber en qué lugar y a qué hora ha tenido lugar un suceso en un referencial suponiendo conocidos el lugar y la hora en que ha ocurrido en el otro.

En la mecánica clásica, la medida del tiempo era absoluta. La duración era absoluta, pero la distancia espacial no. Las transformaciones de Lorentz nos indican que la hora depende del lugar y el lugar de la hora, es decir, que el tiempo y el espacio están mezclados. Tanto el tiempo como la distancia dependen del observador. Ahora bien, hay una combinación de estas dos magnitudes que es la misma para ambos observadores: el intervalo de espacio-tiempo, que es absoluto. El espacio y el tiempo no son los mismos para todo el mundo, pero el espacio-tiempo sí.

La relatividad restringida es una de las teorías más profusa y precisamente verificadas por la experiencia. Pero, los efectos relativistas sólo son perceptibles a velocidades muy elevadas. Por ello, es preciso disponer de aceleradores de partículas muy potentes o de aparatos de medida extremadanmente sensibles, y a ser posible de ambas cosas. En los fenómenos cotidianos, sin embargo, los efectos relativistas son inexistentes y las ecuaciones de Einstein se reducen a las de Newton.

Esta teoría de la relatividad restringida (porque solo es válixda para sistemas inerciales; más tarde, Einstein desarrolló una teoría válida para todos los sistemas de referencia, la “relatividad general”) se aplica a las cosas físicas. Pero, también se puede aplicar a las ideas (metafísica, filosofía, pensamiento en general), exponiendo que éstas (las ideas, opiniones, etc.) también son relativas, dependiendo tanto de quien las exprese como de quien las escuche; no hay verdades absolutas, no hay mentiras absolutas, dependerá de cada uno de nosotros cómo veamos las cosas más cotidianas y las más complejas. Como hemos visto todos los razonamientos pueden ser correctos dependiendo de quién los construya y de a quién vayan dirigidos. Esto lo entienden muy bien los políticos, que siempre tienen razón y así lo ven también sus acólitos. Sus sistemas inerciales de referencia son inamovibles, aunque estén siempre cambiándolos a su antojo y para su propio beneficio. La paradoja en este caso es que a los acólitos no les parezca tan evidente ese movimiento relativo y uniforme, pero de sentido opuesto de los políticos respecto a ellos.

TZI

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4 respuestas a LA RELATIVIDAD RESTRINGIDA

  1. nadiemejorquenadie dijo:

    Buaaaa, soy toooontoooo, he escuchado miles de veces estas explicaciones y aun no comprendo como la luz se puede mover a antojo del observador,noooo looo entiiiendooo,
    Sniifff, hasta luego.

    • Cierra los ojos y sabrás lo que es ser observador. Es lo que te falla, porque te han dicho que tienes que ver la luz. La luz no se ve, lo que se ven son sus reflejos. Pero la ciencia es así de cabrona. Siempre evita hablar de lo que no puede hablar, porque no lo abarca.

      Abrazos,

      Miguel

    • En ese caso hay un remedio. Haz como yo. Relájate y disfruta.
      ¿Sencillo, eh?

  2. Miguel dijo:

    En el sueño profundo brota un pensamiento y aparece un sueño.
    Sentimos como si estuviéramos actuando – en el sueño -, pero, de hecho, no estamos haciendo nada. Y se comprende que “aunque hago algo, no hago nada”, esa es la realidad en ese momento.
    Es más, luego Despierto

    Un Gran Abrazo !!
    M.

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