¡HÁGASE LA RELATIVIDAD!
Aunque el tiempo y el espacio nos parezcan constantes, inamovibles, resulta ser que ni ellos escapan de la deformación. A veces todo lo que creemos conocer no es más que una percepción de la localidad en la que nos encontramos y cuando salimos de esa vecindad nos encontramos una nueva realidad.
Continuamos con esta mini serie de escritos acerca de las dos grandes revoluciones de la física: La relatividad y La mecánica cuántica. Ambas tienen poco más de un siglo de haber comenzado a gestarse. Y ambas están unidas por algo muy peculiar: no se han unificado.
Hoy nos toca dar nuestros primeros pasos por la Relatividad general, una bella teoría que explica una de las cuatro interacciones fundamentales del universo desde un punto de vista muy particular.
Relatividad especial para principiantes
Hace poco más de un siglo, los físicos trabajabanen una manera de describir a la luz. No se conocía bien su naturaleza. Lo único seguro era que la luz tenía comportamiento ondulatorio.
La luz es onda, como las ondas en el agua o las ondas de sonido. Sólo que las ondas del agua se propagan por agua y las del sonido se propagan por el aire. Entonces, ¿cuál sería el medio de propagación de las ondas de luz?
El aire no podía ser, pues la luz es capaz de viajar por el cosmos sin aire en el vacío.
Así que los físicos inventaron el “éther”, material misterioso, ligero pero rígido que llenaba todos los rincones del universo. Era la respuesta perfecta. Ya sólo faltaba comprobar su existencia.
El experimento sería simple. Imaginemos al éther como un río y a la luz como un nadador en él. Si el nadador busca cruzar perpendicularmente el río, seguro que la corriente dificultará su camino, pero al cabo de un rato logrará cruzar. Si el nadador quisiera nadar 100 metros en favor de la corriente, seguro será mucho más sencillo y rápido que nadar los mismos 100 metros contra corriente.
En el caso del éther, el efecto de corriente se produce porque la Tierra viaja a través de él y, entonces, si hacemos viajar un haz de luz en favor de la corriente, este tardará menos tiempo en viajar una cierta distancia que si lo hace contra corriente o perpendicularmente. Esa diferencia de tiempo sería medible y permitiría conocer propiedades de ese material misterioso. Michelson y Morley experimentaron durante años y los resultados fueron que no había variación de la velocidad de la luz, nada dificultaba su camino, por tanto, la existencia del éther quedaba descartada.
Sin embargo algunos científicos trataban de salvar su existencia. Fue George FitzGerald quien argumento que cuando la velocidad de la luz disminuye, el espacio a lo largo de su trayectoria se contrae (a causa del éther) para compensar esa disminución, lo que explicaba la invariancia en los datos de Michelson-Morley. Lorentz, por su parte describió esa contracción matemáticamente, más no explicó el porquéde su existencia. Dichas fórmulas le serían muy útiles a Einstein más tarde.Lorentz, sin notarlo, refutaba la existencia del éther y del espacio y tiempo absolutos y rígidos.
Lo único absoluto era la velocidad de la luz
Poco a poco, la teoría de la relatividad especial se iba construyendo, hasta que, finalmente Albert Einstein reconoció la imposibilidad de constatar la simultaneidad de dos eventos. Es decir, si tenemos a dos observadores, uno en reposo y otro que se mueve con velocidad constante en un auto, midiendo el impacto de dos rayos de luz sobre la Tierra, el observador en reposo podría decir que ambos eventos son simultáneos, mientras que el observador en movimiento podría decir que los eventos sucedieron con diferencia de tiempo uno después del otro. Esta diferencia se acentúa al movernos a velocidades cercanas a las de la luz. Ninguno de los observadores está equivocado o, más bien, no podríamos decir cuál de los dos tiene razón.
Los eventos son relativos al observador. Nótese aquí que hablamos de observadores o en reposo o con velocidad constate, lo que se conocerá como marco de referencia inercial. Lo único que medirán igual siempre es la velocidad de la luz.
Pero la relatividad especial no toma en cuenta a observadores que van acelerando ni a fenómenos relacionados con la gravitación.
¡Hágase la Relatividad General!
Era tiempo de buscar un caso general con reposo, velocidades constantes, aceleraciones y gravedad. Así llegó la Relatividad general.
Einstein no tardó en relacionar los efectos de la gravedad con los efectos de la aceleración. Si estamos en una caja en el espacio no sentiríamos efectos gravitacionales, estaríamos flotando. Si alguien empuja la caja hacia arriba con cierta aceleración, sentiremos una presión en nuestro cuerpo contra el piso (como si fuera nuestro peso). Como estamos aislados del exterior, no podemos saber si esa presión se debe a una aceleración o que nos hemos acercado a un campo gravitacional. A esto se le conoce como “Principio de equivalencia” porque establece una equivalencia entre la aceleración y la gravedad.
Si la relatividad especial tomaba en cuenta marcos de referencia con velocidades constantes, la relatividad general toma en cuenta no sólo a velocidades constantes, sino también las aceleraciones (y su equivalencia en campos gravitacionales).Es así que en la relatividad general se postula que el espacio-tiempo sufre una deformación en presencia de objetos con masa y que la gravedad es la manifestación de esta deformación.
En resumen: a velocidades cercanas a la de la luz, los objetos parecen comportarse de una manera contraintuitiva, con contracciones del espacio y el tiempo a lo largo de su trayectoria y arrojando resultandos distintos a los diferentes observadores inerciales.
Los objetos masivos, por otro lado, deforman el espacio-tiempo a su alrededor y la gravedad es la percepción de la deformación.
La relatividad fue toda una revolución del pensamiento científico y crítico, en la que no solo Einstein, sino muchos otros contribuyeron a la construcción de la misma.
Pero la mecánica cuántica no pensaba quedarse atrás en este espectáculo y dio sus primeros frutos a la par. Ambas teorías, juntas, nos darían una teoría mayor capaz de ayudarnos a explicar infinidad de fenómenos y abrirnos muchas puertas al futuro, solo que no hemos podido unificarlas.
“El gran reto por resolver”
Hay una incompatibilidad entre ambos marcos. La cuántica no es para la relatividad general y viceversa. No es que alguna de las dos esté equivocada, ambas han cosechado grandes éxitos en lo que llevan de existencia. Entonces ¿qué sucede? ¿qué nos falta? ¿habrá algo mucho más profundo esperando a ser descubierto? Estas son las grandes interrogantes del siglo, el gran reto por resolver.
Pero para entender un poco más a fondo el problema, como siguiente publicación, hablaremos del impresionante mundo cuántico y, si pensabas que la relatividad era tremenda y difícil de imaginar, la mecánica cuántica te tiene una gran sorpresa. Mientras tanto te recomiendo una vuelta por:
