ALEJANDRO JIMÉNEZ; Desde Newton a Einstein: la revolución del espacio y el tiempo

Tiempo y espacio, de los primeros conceptos físicos que nos enseñan, tan cotidianos y tan complejos de entender a la vez. A lo largo de la historia ha habido un gran cambio en la manera en cómo los entendemos. Desplacémonos hasta el siglo XVII. Fue entonces cuando Galileo y Newton establecieron los fundamentos de la gravitación y la mecánica, la ciencia del movimiento y, quizás, la piedra angular de la física. Para Newton solo había un tiempo y un espacio para todos los observadores, eran conceptos absolutos.

Nadie hasta 1905 cuestionó estos principios que se verificaban satisfactoriamente; pero antes, hagamos una parada en el siglo XIX. Si hubo un gran hallazgo en física entonces ese fue el de las ecuaciones de Maxwell. Aun siendo formuladas por Ampère, Coulomb y Faraday, fue Maxwell en 1865 quien las agrupó y corrigió, añadiendo un término. Dichas ecuaciones describen todo el electromagnetismo: la electricidad estática al frotar un globo, la orientación de las brújulas e incluso la propagación de la luz. 

En estas leyes aparece explícitamente la velocidad de la luz que a todos nos suena (unos 300000 km/s). Pero uno, astutamente, podría preguntarse ¿respecto a quién? ¿Quién ve la luz moverse a esa velocidad? Por aquella época circulaba un concepto por la comunidad científica que Maxwell defendía: el éter. Se pensaba que la luz necesitaba un medio para propagarse (igual que no habría sonido sin aire), y ese era el éter; siendo 300000 km/s la velocidad respecto a ese medio.

Era absurdo pensar, con lo dinámico que es el cosmos, que en el mar de éter que lo llenaba todo la Tierra estuviera en reposo. ¿Por qué nosotros? Los científicos, entonces, se preguntaron: dado que nos debemos estar movimiento en ese éter, ¿cuán rápido lo hacemos? Se hicieron varios experimentos pero quizás el más célebre fuese el de Michelson y Morley (1887) en el que comprobaron que la luz venía de todas partes a 300000 km/s, o sea, ¡estábamos en reposo en el éter!

Grandes mentes del momento como Poincaré, Lorentz y Fitzgerald introdujeron hipótesis a mano en la teoría para poder explicar lo que pasaba. Funcionaba, pero era todo muy artificioso. Hasta que en 1905, un señor de origen alemán hasta entonces desconocido en la comunidad científica publicó un brillante artículo llamado “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, que resolvía todos estos problemas en el marco de una teoría consistente. Era él, un joven Albert Einstein, y acababa de publicar las bases de su Teoría Especial de la Relatividad.

Al igual que Newton construyó su teoría basándose en tres leyes fundamentales que suponía ciertas, Einstein erigió su mundo relativista con dos principios. El primero de ellos, inspirado en Galileo, decía que absolutamente todas las leyes físicas deberían ser las mismas para todo observador, sea cual sea su velocidad (siempre que sea constante); sin duda un principio elegante y razonable para usarlo en una teoría. Pero el segundo postulado, probablemente golpee fríamente nuestras convicciones: la velocidad de la luz en el vacío no depende de la velocidad del observador. ¿Cómo? Desde pequeños desarrollamos la intuición de que la velocidad de algo depende de quien lo mire: un coche se mueve para un peatón en la acera, sin embargo, ¡está en reposo para su conductor! Y lo que Einstein nos está diciendo es que con la luz en el vacío esto no ocurre. Te muevas como te muevas siempre la verás alejarse a 300000 km/s.

Parece una locura, pero si suponemos ciertos estos principios y echamos a rodar las matemáticas, nos topamos con una serie de consecuencias sorprendentes. Por ejemplo, el conocido hecho de que nada puede superar los 300000 km/s, siendo pues la velocidad máxima permitida en el universo; otra es la famosa ecuación de Einstein E=mc² que básicamente nos dice que la masa equivale a una cantidad de energía, pudiéndose transformar la una en la otra (¡la energía nuclear!); pero si hay una consecuencia que nos interesa, es el hecho de que el espacio y el tiempo absolutos de Newton se esfuman para dar lugar a un espacio y un tiempo que dependen del observador. Exacto, lo que dura un segundo para mí, no durará lo mismo para un observador que se mueva, y lo mismo con las longitudes. Concretamente, y en resumidas cuentas, Einstein nos dice que los relojes que se mueven van más lentos y los objetos que se mueven son más cortos que cuando están parados.

El lector atento se habrá percatado de un problema fundamental: si las leyes de Newton funcionan tan bien, dado que el mundo relativista es bien distinto, la teoría de Einstein debe dar resultados distintos (y, por tanto, erróneos) para describir por ejemplo el movimiento básico de un coche, cosa que llevamos haciendo desde el instituto usando mecánica newtoniana. Lo curioso es que “mi tiempo y mi espacio” son más diferentes de los de otro observador, cuanto más rápido se mueva respecto a mí. De modo que si se mueve muy despacio, como lo hacen los coches y los aviones (¡son velocidades minúsculas comparadas con la de la luz!), el tiempo y el espacio dejan de ser relativos y las fórmulas de Einstein se reducen a las de Newton. 

¿Qué nos dice esto? Pues que la teoría de Einstein de alguna manera corrige a la de Newton solo a muy altas velocidades, por lo que en nuestras vidas son indistinguibles las dos teorías. Entonces, solo nos quedaría comprobar si a altas velocidades las correcciones de Einstein son acertadas. 

En 1963 (¡58 años después!) Frisch y Smith detectaron muones casi a nivel del mar, que, newtonianamente, deberían desintegrarse a kilómetros del suelo. Estas partículas, que caen a casi la velocidad de la luz, se forman en las capas altas de la atmósfera debido a los rayos cósmicos. Y es por esta elevada velocidad por la que, según la relatividad, el reloj del muón se ralentiza para nosotros, y cuando para nuestros relojes ha pasado el tiempo necesario para la desintegración, el muón aún tiene tiempo para seguir bajando, alcanzando el suelo. Las predicciones de Einstein casan perfectamente con los resultados experimentales.

La Relatividad Especial fundamenta otras teorías tan exitosas como la Teoría Cuántica de Campos, que posee de las predicciones más precisas de la física: el momento magnético del electrón predicho por la teoría reproduce la medición experimental con ¡diez cifras significativas exactas! 

Pero ya en 1907, al genio de Einstein le preocupaban dos hechos: su teoría no funcionaba para observadores acelerados y, por otro lado, su teoría decía que nada podía transmitirse más rápido que 300000 km/s mientras que, según la ley de gravitación universal de Newton, si el Sol desapareciese, la Tierra instantáneamente saldría de su órbita. Fue la persecución de Einstein de una teoría completa en este sentido la que le condujo en 1916 a la Teoría General de la Relatividad en la que la gravedad dejaba de ser una fuerza para pasar a ser consecuencia de la deformación del espacio y el tiempo debida a la energía, pero eso es una historia para otra ocasión…

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