¿Qué es la relatividad?
Como explica de manera tan aparentemente sencilla el gran maestro Miguel Alcubierre, “todo movimiento es relativo«; «cuando una cosa se mueve, tengo que decir respecto a qué: un tren respecto a la tierra; o una pelota respecto al tren», ni siquiera tiene sentido decir que un movimiento absoluto ni un reposo: siempre hay un marco de referencia (que ya describió Galileo Galilei).
Recordemos que Newton sostenía que los intervalos de espacio y de tiempo son absolutos y la velocidad de la luz es relativa, pero las ecuaciones de Maxwell sobre el electromagnetismo indicaban que la velocidad de la luz era constante.
En este contexto, Albert Einstein propuso en 1905 la relatividad especial, al vez el observador en movimiento y el estático observan tiempos diferentes.
Pensó: cualquier fenómeno (ver transmitir una onda…) necesita tiempo: no puede existir ninguna interacción instantánea en la naturaleza.
Realizó varios experimentos mentales con una extraordinaria intuición. Imaginó, por ejemplo, a un observador viajando junto a un rayo de luz y comprendió que esa contradicción solo se resolvía si el tiempo y el espacio no eran absolutos.
Pensó también en trenes que se mueven a gran velocidad y en rayos que caen simultáneamente desde distintos puntos, mostrando que dos sucesos pueden ser simultáneos para un observador y no para otro.
Einstein realizó uno de los descubrimientos más importantes de la física: la velocidad de la luz es constante (respecto a todo, da igual que me mueva a otra velocidad el objeto que emite luz).
Siempre es la misma, es absoluta, una contante universal de 297.000 km/seg.
La luz está obligada a viajar a la misma velocidad.
Así, un fotón de luz -aquello que tenga masa cero-, si no hubiera una velocidad tope, se movería con velocidad infinita, y eso no es así.
Si su velocidad se estabiliza en una cierta cifra y no sigue creciendo, es porque, sencillamente, no puede hacerlo: no hay velocidades mayores a las cuales moverse.
El cambio fue profundo.
Espacio y tiempo dejaron de ser absolutos y pasaron a ser relativos y a depender del estado de movimiento del observador.
No existe un marco de referencia privilegiado y es imposible detectar movimiento absoluto, ni reposo absoluto.
A mayor velocidad, se produce un encogimiento en la dirección del movimiento –contracción de la longitud-.
A mayor velocidad, también el tiempo pasa más lento –dilatación del tiempo-.
Nunca podríamos anular el tiempo o detenerlo.
La velocidad de la luz no puede superarse, pues de lo contrario los fenómenos ocurrirían antes de que pudiéramos observarlos, y se violaría el principio de causa- efecto.
La casualidad es finita, y va a la velocidad de la luz.
El fotón es el paradigma del límite, pues es el único que no tiene masa, y el único que no tiene antipartícula.
El fotón no puede viajar más rápido que la luz porque él mismo es la luz.
La simultaneidad es también relativa, dos cosas no ocurren al mismo tiempo si no es desde el mismo punto de referencia.
Tampoco sabes absoluto cuál ocurrió primero: aunque al ser la velocidad de la luz la máxima del universo siempre las causas son antes que los efectos.
Es muy significativo este hecho para nuestra vida cotidiana: no existe del todo el tiempo ni el espacio de manera inmediata: es decir veo las cosas al instante porque «c» es muy rápida, pero ¡hay un decalaje entre mi vista y lo que pasa!.
Einstein averiguó la equivalencia entre masa y energía, resumida en la célebre ecuación E=mc2.
Así, una pequeña cantidad de materia significa una cantidad muy grande de energía, que explica la gran cantidad de energía liberada en la bomba atómica.
La distancia entre dos sucesos puede describirse con precisión mediante una combinación de intervalos espaciales y temporales, pero no mediante uno sólo. El espacio-tiempo de cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal) donde tienen lugar todos los sucesos del Universo.
Para un fotón no existe el tiempo. No porque “tenga reloj y esté parado”, sino porque viaja exactamente a la velocidad de la luz, y a esa velocidad el tiempo propio se vuelve cero.
Para el fotón, el momento en que nace y el momento en que es absorbido son el mismo instante, aunque para nosotros hayan pasado millones de años y kilómetros de espacio.
Si una antipartícula es, básicamente, la misma cosa pero con los signos cambiados (como + y −), el fotón no tiene carga, no tiene masa y no lleva etiquetas internas que puedan invertirse, así que no hay manera de hacerlo “opuesto”: al intentar cambiarlo, sigue siendo el mismo.
Porque la luz no admite espejo, no tiene reverso. ¿Consecuencia? La luz puede crearse y destruirse sin pareja, el electromagnetismo es perfectamente simétrico, y el fotón aparece como una partícula “límite”.
El tiempo sabemos que existe solo porque ocurren procesos, y porque hay límites -como la velocidad de la luz- que ordenan causa y efecto.
Pero no es un fondo absoluto: se estira o se encoge dependiendo del movimiento y la gravedad.
En la vida cotidiana, la relatividad especial tiene aplicaciones muy concretas. Un ejemplo clave es el sistema GPS.
Pero Einstein no se quedó ahí, se dio cuenta que teníamos un problema: si era verdad la concepción de la gravedad de Newton, está fuerza era instantánea, se transmitía a una velocidad infinita. Como esto es imposible, había que buscar la explicación.
Otra vez Galileo, casi cuatro siglos antes, fue la mejor inspiración de Einstein. Se dio cuenta que si desde una torre cae varios objetos de diversas masas todos caen con la misma velocidad -aceleración- (principio de equivalencia). Por lo tanto, ¡la gravedad no era una propiedad de la masa, sino del espacio!.
Einstein mostró la equivalencia entre los sistemas acelerados y los gravitatorios. En otro experimento “mental”, ponía el caso de un ascensor que cae por la fuerza de la gravedad terrestre o por otra fuerza equivalente con una aceleración igual: no notaría mi peso.
Normalmente las trayectorias de los objetos son curvas cuando hay gravedad (por ejemplo la tierra alrededor del sol).
En consecuencia, cuando hay gravedad el espacio es curvo.
En consecuencia, la atracción de las masas no dependía de la naturaleza de los objetos, sino del espacio (espacio-tiempo), que curvaba su geometría en virtud de las masas (materia y energía). Lógicamente, cuanto mayor sea la masa del cuerpo, mayor será la curvatura que producirá en el espacio y, en consecuencia, mayores serán los efectos gravitatorios sobre cuerpos próximos.
En 1916 Albert publicó su Teoría general de la gravedad (TRG) o Teoría de la Relatividad General, generalizando su teoría en el caso de sistemas que se mueven unos respecto a otros con movimiento acelerado. Así, partió de la idea de que los campos gravitacionales son equivalentes a las aceleraciones del sistema de referencia.
Esta bellísima y revolucionaria teoría no habría sido aceptada sin la comprobación experimental, y no había nada mejor que un eclipse total de sol por la luna para poder verlo sin cegarse.
La luz de una estrella se curvará alrededor del sol porque el espacio allí es curvo.
El eclipse solar del 29 de mayo de 1919 fue el primero que permitió comprobarlo; dirigidos por Arthur Eddington, fotografiaron las estrellas alrededor del Sol y compararon sus posiciones con las habituales del cielo nocturno, encontrando que estaban desplazadas justo en la cantidad que predice la teoría de Einstein.
En 1922 se confirmó con muchas más estrellas desde Australia.
Solo entonces Einstein alcanzó fama mundial.
Hay varias inferencias a esta teoría. Es una teoría de la curvatura del espacio y también sobre la curvatura del tiempo. Una consecuencia clave es que el tiempo también se ve afectado por la gravedad. Cuanto más intenso es el campo gravitatorio, más lentamente pasa el tiempo.
Un reloj situado cerca de un objeto muy masivo avanza más despacio que otro ubicado lejos de él. Este efecto es imperceptible en nuestra vida cotidiana.
La relatividad general ha permitido predecir fenómenos extraordinarios como los agujeros negros, las ondas gravitacionales y la expansión del universo.
En la práctica, esta teoría es esencial para tecnologías modernas como el GPS, que debe corregir los efectos gravitatorios sobre el tiempo para funcionar con precisión.
El universo se expande no porque las galaxias se alejen unas de otras, sino porque es el espacio que las contiene el que se estira, como si infláramos un globo con puntitos. Ya lo vio Hubble en 1929, que cuanto más lejos están, más rápido se alejan.
Según comenta Alcubierre galaxias muy lejanas se alejan unas de las otras ¡a mayor velocidad que la luz!.
