La relatividad especial de Einstein

Primera ley de la física: todo es relativo

Hasta poco después del siglo XX se creía que el tiempo era una constante, al igual que el espacio. Hoy en día, sin embargo, gracias al inestimable estudio que Albert Einstein publicó en 1905, La relatividad especial, sabemos con certeza que no son más que variables dependientes del movimiento. En otras palabras, la velocidad de la luz constituye una constante de la que dependen el espacio y el tiempo.

La teoría de la relatividad especial de Einstein se asienta sobre dos principios fundamentales de la física. 1) Para un mismo sistema de referencia inercial, las leyes físicas aplicables no varían. Es decir, para dos sistemas iguales, lo que se cumple en uno, se cumple también en el otro. 2) La velocidad de la luz constituye una constante universal, designada por la letra c, como demostraron Michelson y Morley con anterioridad, y su valor aproximado equivale a 300.000 kilómetros por segundo, (o 1.080.000.000 kilómetros por hora, que usaremos luego).

Pues bien, la relatividad en sí misma se aprecia en múltiples circunstancias de la vida cotidiana. Incluso esta afirmación resulta relativa, como veremos más adelante. Por ejemplo, el caso que empleó el propio Einstein para ilustrar su teoría, un viajero en el tren y un espectador en reposo junto a la vía. Supone algo meridiano que el movimiento del tren, al ponerse en marcha, resulta relativo para uno y otro individuo. Pues aunque ambos concuerden en que el tren se mueve, también afirmarán, desde ambos puntos de vista, que ellos mismos permanecen en reposo. No obstante, desde la perspectiva del espectador parado junto a la vía, el viajero positivamente se está moviendo, dentro del tren. Mientras que desde su posición, el viajero, se considera quieto, en su asiento. Hasta aquí todos de acuerdo.

Ahora bien, suponiendo que el tren viaja a 200 kilómetros por hora, si se lanza una pelota horizontalmente en el interior del tren a 20 kilómetros por hora, ¿a qué velocidad se mueve la pelota? Aunque parezca excesivo hay dos respuestas. La primera, para el viajero interno, esta se desplaza, lógicamente, a 20 kilómetros por hora. Y la segunda, para el espectador externo, su velocidad resulta de la adición de dos velocidades, la del tren y la de la pelota. Por lo tanto, para este último la pelota se mueve a 220 kilómetros por hora. Esto dice la mecánica clásica de Newton, y nadie osaría contradecirlo.

Hasta que llegó Einstein, y recordó que la velocidad de la luz es constante. Entonces algo no cuadra. Si en lugar de lanzar una pelota, lo que proyectamos ahora es el haz luminoso de una linterna, dado que la velocidad de la luz es siempre la misma independientemente del sistema de referencia en que nos encontremos, ambos participantes, tanto el espectador externo como el viajero interno, verán la luz desplazarse a la misma velocidad. En ningún caso, el espectador junto a la vía dirá que la luz viaja a 200+1.080.000.000 kilómetros por hora.

¿Qué ocurre? Como la velocidad de la luz es constante, pero el tiempo no lo es, para que ambos observadores, el interno y el externo, contemplen la luz de forma simultánea, lo que ha de variar, a todos los efectos, es el tiempo. Es decir, que el tiempo para el viajero en movimiento se ralentiza, pasa más lento, de manera que alcance a ver la luz en el mismo instante en que lo ve el espectador externo, para el cual, como punto de referencia, el tiempo avanza uniformemente. Podríamos pensarlo a la inversa, y afirmar lo que realmente sucede, que para el espectador junto a la vía, el tiempo pasa relativamente más lento dentro del tren. Lo que debemos entender, en resumidas cuentas, es que tenemos dos sistemas de referencia inerciales— con inerciales queremos decir que, ya sea que estemos en uno u otro sistema, nuestra percepción del movimiento resulta uniforme, es decir, constante—, un sistema dentro del otro. Y las condiciones que se dan suponen siempre las mismas. El sistema externo permanece estático o, más correctamente, relativamente en reposo, y el sistema interno se mueve con respecto al anterior. De modo que la dilatación temporal afecta al sistema interno con respecto al externo, porque es aquel que se está moviendo, desde el punto de vista estático.

Así que, dijimos antes que la relatividad se aprecia en múltiples ocasiones de la vida diaria, pero que esto también resulta relativo. Porque aunque la relatividad se da en estos casos, no podemos percibirla, ya que nos movemos demasiado lento. Porque nos movemos. Aunque estemos sentados “en reposo” ahora mismo leyendo esto. Nos hallamos inmersos en el movimiento traslacional de nuestro planeta, sin duda. Aunque corramos, o viajemos frecuentemente en tren, o en avión, o aún más rápido a bordo de un scramjet. De todas formas, nos desplazamos despacio en comparación con la velocidad de la luz. De modo que la distorsión temporal solo afecta de manera ostensible a velocidades cercanas a la de la luz, es decir, velocidades comparables con ella, con “c”.

¿Podemos asegurar, entonces, que la teoría especial de Einstein no nos afecta directamente? Si pensáis que la respuesta es afirmativa, deberíais olvidaros de reajustar vuestro reloj cada cierto tiempo cuando se atrasa. Esto sucede porque utilizáis diariamente medios de transporte que se mueven a cierta velocidad con respecto a la tierra, que desde un punto de vista estático no se mueve. Si después de mucho viajar en tren, por ejemplo, comparamos nuestro reloj con el de la estación, del cual podemos afirmar que “jamás” se ha movido del sitio, veremos que nuestro reloj se ha atrasado. En efecto, para nosotros, que nos movíamos, el tiempo ha pasado más despacio.

Sin embargo, como apuntábamos el principio, la teoría de la relatividad “especial” no solo aplica al tiempo, sino también al espacio. En resumen, cuando la velocidad de la luz conlleva una dilatación temporal, para el espacio implica lo contrario, un acortamiento.

Llegados a este punto, no me gusta seguir aludiendo a la relatividad especial de Einstein como simple “teoría”, porque constituye un principio fundamental de la física. De hecho, la física relativista particular, pese a su demarcado campo de investigación, posee implicaciones que trascienden a las velocidades relativas. Repercute, por ejemplo, en el modo en que entendemos el universo. De ahí que Einstein se planteara si el universo, al igual que la estupidez humana— citando al propio Einstein y, transversalmente, a mi buen amigo Miguel Guzmán en su tesis “Homo stupidens”—, era infinito.

Como ya se ha comentado, la velocidad de la luz afecta inmediatamente al tejido del espacio-tiempo que conforma el universo físico. Hemos oído decenas de veces esta expresión en películas sobre viajes en el tiempo y naves espaciales, ¿verdad? “El tejido espaciotemporal”. Así pues, el universo se compone de energía— también de materia, añadirán algunos, impetuosos—. Esta energía se extiende, por decirlo de algún modo, en unas dimensiones dadas. Para simplificar, tratamos cuatro perceptibles, las tres correspondientes al espacio, más la cuarta, el tiempo. Puesto que nada en el universo puede desplazarse a más velocidad que la luz, esta constante define los límites del tiempo, tanto hacia adelante como hacia atrás, en lo que se conoce como el diábolo de la luz. Para hacernos una somera imagen mental, si la luz viene representada por un rollo de papel higiénico, que a medida que rota se expande, el universo, circunscrito por el tiempo y el espacio, solo puede avanzar sobre el papel que ya se ha desenrollado. ¡Ojo! No decimos que no exista nada más allá del papel, solo que permanece a oscuras. Nuestra existencia humana, por tanto, se restringe al cono de la luz cuyo vértice se origina en el presente, y cuya circunferencia basal se extiende hacia el futuro.

Sin embargo, cuando se habla de relatividad, a la mayoría de las personas, además de entrarles cierta somnolencia o, bien, desconcierto plausible, se les viene a la cabeza la famosa fórmula que reza:

Para profundizar en esta consecuencia tendríamos que abordar la teoría de la relatividad general de Einstein, mediante la cual se relaciona la velocidad de la luz, el espacio-tiempo, la masa (o materia), la energía, y la gravedad.

Pero de forma concisa, podemos extraer una deducción importante de esa fórmula, que también respalda la mecánica cuántica— totalmente opuesta en su enfoque a la relatividad—. Ambos enfoques, empero, concuerdan en que materia y energía se reducen a la misma cosa. Todo lo que existe es energía, y sin energía no se puede existir. Básicamente, esa fórmula alude a lo que yo llamo la segunda ley de la física: el principio fundamental de la conservación de la energía, que se resume en que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Pues bien, en este caso, la transformación se produce de masa (o materia mesurable) a energía (de forma cuantitativa). Por poner un ejemplo, cuando quemamos madera, su masa se reduce sustancialmente, porque se transforma en energía calorífica mediante el proceso de combustión. Los químicos, en este caso, hablarían de una reacción de combustión donde se conserva la masa o los moles, al pasar de reactivos a productos. Mientras que los físicos, más pragmáticos, hablamos directamente de conservación de la energía, porque en esencia todo es lo mismo. Bueno, para la fórmula de la energía de Einstein, considerando la constante de la velocidad de la luz, también hablaríamos de conservación del momento lineal, pero no vamos a entrar en detalles de momento.

La física relativista general, por su parte, aborda los efectos de la relatividad en conjunción con los de la gravedad, no suscitados por fuerzas, sino por la presencia de materia que genera curvaturas en las líneas del espacio-tiempo. Así, una cantidad ingente de materia condensada, o energía, ocasionará un aumento desmesurado de la gravedad. Pero, como diría Michael Ende, esta es otra historia, y ha de ser contada en otra ocasión.