El perdón de Einstein... y la teoría de relatividad

Cuando estamos de paseo nocturno a veces con Mabel, me fijo en las farolas que emiten luz. Mientras hablamos, me es inevitable no pensar que la velocidad de la luz es constante ya me acerque a la farola ya me aleje de ella. Luego le digo de repente, "que has dicho, me había distraído y no estaba atento.". Luego me viene el típico rapapolvo y lleva razón, lo se. Bueno...

El día de hoy, no creo que exista ningún ser pensante en este mundo que no haya escuchado la teoría esta famosa. Se trata del nuevo mecanismo que nos hizo cambiar de la percepción que teníamos sobre el mundo e introdujo la física cuántica. Todo empezó desde el punto de vista del tío Albert Einstein, que la física ya de Sir Isaac Newton por una parte explicaba perfectamente el macrocosmo, ósea las grandes construcciones, el movimiento de los cuerpos, las trayectorias de los planetas, etc pero por otra parte presentaba unas debilidades en la explicación de fenómenos en escala subatómica, (microcosmos).

Regresemos a casa de la calle Kramgasse 49 en Bern, cuando Einstein tenía 24 años y trabajaba para aquella oficina de patentes, rechazado por todas las universidades europeas y sin un duro. Durante aquella época en invierno hacía mucho frío para abrir las ventanas y el verano intensificaba los olores del tabaco de pipa, y de los pañales mojados del recién nacida hija. Se podía encontrar a Einstein sumergido en un libro, meciendo distraidamente con su pie la cuna del bebé que berreaba persistentemente mientras su mujer -Mileva - fregaba los cacharros en la pila. Toda esta concentración obsesiva y apasionada consiguió un repentino y espectacular clímax en 1905. Este año fue llamado por los físicos contemporáneos el "Annus mirabilis" de Einstein (año milagroso). A lo largo de ese año, envió 4 trabajos a la revista "Annalen der physik" que literalmente cambiaron el mundo.

1) La velocidad de la luz es constante para todos los observadores independientemente su movimiento relativo o el movimiento de la fuente que emite la luz.

En aquel entonces se creía que la velocidad de la luz ya tenia un valor infinito.

Vamos a ver que pasa en la física clásica. Un ejemplo muy común que es seguro de que os ha ocurrido en algún aeropuerto, es en las cintas transportadoras. Pues si camináis a su largo, vuestra velocidad total, es la suma de la velocidad de las escaleras, más la de vuestro paso. Hablemos con números: Si la velocidad media humana está a 3 millas por hora, y la escalera te lleva a 4 millas de hora, podemos deducir que nuestra velocidad estará a 3+4=7 millas de hora... Este fenómeno sencillo se llama teorema de adición a causa de la superposición de las velocidades y se aplica perfectamente a la física clásica y al mundo Newtoniano. Este efecto puede que os parezca coherente y obvio, pero presenta una paradoja con la velocidad de la luz.

Como dicho antes, desafortunadamente no pasa lo mismo con la luz. La luz, quizás sepáis que viaja a velocidad vertiginosa de 300.000.000 metros por segundo dentro del vacio. No se puede restar y sumar nada, Es constante independientemente de donde proceda la luz y hacia donde vaya. No se puede superar. S

Imaginados que estamos subidos en un tren y que corre relativamente rápido. Ahora encendimos una linterna dentro del tren y "medimos" la velocidad de la luz: 300.000.000 metros por segundo. Obvio, porque tiene que ser diferente? Pero si la mediera un observador desde fuera, la mediría 300.000.000 metros por segundo de nuevo!!! Como puede ser eso? Pues resulta que cuando encendimos la linterna, no se observará el fenómeno de arriba con las cintas transportadoras, así que las velocidades (la del tren y la de la luz) no se sumarán.

Por muy raro que se parezca, la demostración de esta conclusión había sido realizado por dos físicos estadounidenses Albert Michelson y Edgar Morley en 1887. Mostraron que la velocidad de la luz es siempre constante independientemente de la dirección del movimiento. ¿Comprensible? Esto hizo a Einstein pensar que la velocidad de luz no podía variar independientemente del observador y del punto desde que se observara. Era siempre constante...

El experimento Michelson-Morley se considera como el experimento fracasado-exitoso.

Esto derrumba la percepción que tenemos sobre el tiempo y el espacio: El tiempo no es lo mismo y absoluto para todos los sucesos...! El tiempo depende del observador... ¿PERO COMO PUEDE SER ESO? UNA HORA ES DIFERENTE PARA MI Y DIFERENTE PARA TI? Suena una locura.

Cada persona tiene su reloj individual, un segundo para mi puede que sea una eternidad para otra persona. Es como el refrán que dice "siéntate al lado de una chica hermosa por una hora y te parecerá un minuto..." Lo habéis sentido supongo.

Daré ahora una explicación de este acontecimiento raro.

Imaginamos que tenemos dos relojes atómicos o relojes de luz. Un reloj de luz está constituido por dos espejos colocados frente el uno al otro, y una haz de fotones procedente de un emisor movida a la velocidad de la luz. Cuando el fotón choca con el espejo produce un impulso gracias a lo cual medimos el tiempo de su recorrido. Para los ojos de la persona que esta metido dentro de un reloj, el mide el tiempo de trayectoria perpendicular del reloj de arriba. Pero a los ojos del observador fuera de sistema, la luz tiene que recorrer una trayectoria diagonal para chocar contra el espejo contrario... La distancia de esta trayectoria, es mayor que la del reloj de arriba. Así que el fotón de abajo, tardará en llegar frente... Dicho de otro modo, el observador de fuera, marcará otro tiempo....

Mirad a este vídeo, la diferencia de la hora de llegada del particular de abajo... Este reloj marca menos tiempo... es increíble.

Otro experimento demostró este acontecimiento extraño en la década de los 70. Dos relojes atómicos idénticos no mostraban la misma hora exactamente. Uno de los dos relojes fue colocado en un avión supersónico y hizo un vuelo regular mientras el otro reloj se quedó en la tierra. Tras de una hora terrestre, se compararon las horas que indicaban los dos relojes y no estaban sincronizados... El reloj en el avión, se atrasó...

Pues los científicos debían tomar en cuenta esta diferencia de tiempo entre dos cuerpos móviles e inmóviles antes de inventar los GPS que todos hemos utilizado. El reloj en un satélite va ligeramente más lento que un reloj terrestre. Si no pasara eso mi móvil mostraría que yo estoy a 10-11 kilómetros lejos de mi posición. Resulta que los mismos relojes cuando están llevados por observadores distintos, ensenarán tiempos distintos.

2) Las leyes de la física son iguales para todos los observadores inerciales.

Supongo que la palabra "observadores inerciales" es ella que os resulta más complicada. Para deshacernos de este lió de definiciones, definiremos de nuevo el termino "movimiento". Movimiento es el cambio de posición de un cuerpo por respecto a otro que consideramos como inmóvil. Dicho de otro modo, imaginados que estoy con mi chica en mi coche (ella quiere que yo lo llame "nuestro coche"). Yo no me muevo por respecto a ella que está sentada a lado mio. Pero por respecto a un observador que está fuera del coche, los dos (osea Mabel y yo), nos movimos a la velocidad del coche. Yo con Mabel somos observadores inerciales, porque no hay ningún cambio en nuestra velocidad relativa. Hagamos lo que hagamos no podemos enterarnos de la velocidad del coche, siquiera esto no se mueve. Eso pasa porque las leyes de la física dentro de nuestro sistema son iguales. Por definición, el movimiento es relativo. En general no existe inmovilidad en nuestro universo, ya que es imposible que estemos inmóviles por respecto a algún sistema de referencia. Por ejemplo, yo ahora que estoy escribiendo esta entrada estoy inmóvil por respecto al muro, pero a los ojos de un marciano, si que me muevo... porque el esta fuera del sistema "Yo-tierra".

Unas consecuencias más de la teoría de la relatividad especial son:

a) La consecuencia más conocida de la teoría de relatividad especial es la equivalencia entre masa y energía: Esta es la famosa ecuación de Einstein: E = mc². Las masas en movimiento resultan más pesadas, y por consiguiente posean más energía. Dicen que correr adelgaza pero no cuando te acercas a la velocidad de la luz... jejeje. Si corres muy rápido te haces gordo. Muy sabia la luz, no? Bueno, de esta ecuación hablaremos en otra entrada pronto. Por esta razón es imposible correr o acelerar una partícula a esta velocidad. Se necesitaría energía ilimitada para acelerar un cuerpo para que llegue a esta velocidad.

Los catástrofes en Nagasaki y Hiroshima, provocados por la bomba atómica cuya construcción fue basada en esa ecuación.

Vamos a ver los postulados propuestos por Einstein que rigen la teoría de la relatividad: puede que os parezcan extraños porque se contradicen con la física clásica, pero se han realizado y se han confirmado experimentalmente.

b) La dilatación del tiempo: Para explicar esta rara frase, Einstein inventó la paradoja en la que planteó dos hermanos gemelos A y B.

Estamos en el año 2000 y los dos hermanos, tienen 20 años. El hermano B se aborda en un cohete preparado para hacer un viaje largo y el A se queda en la tierra. Digamos que la velocidad a la que se moverá el B, se aproxima a la de la luz y su viaje en total tardará 3 años en total. Pues, cuando el hermano B vuelva a la tierra, verá paisajes desconocidos, edificios reformados de arquitectónica contemporánea, y a su hermano con canas y con 2 churumbeles. Resulta que el tiempo pasó de manera diferente para los dos hermanos. ¿Y como se explica eso? Por la diferencia de las velocidades. En teoría, una persona que vive en una valle o en los prados, envejece más rápido que uno que vive en el cumbre de una montaña. Pero la diferencia es insignificante... El tiempo no es nada absoluto. La velocidad lo cambia todo, incluso el tiempo y el espacio...

Ahora puede que se pregunte alguien, que si todo eso con la dilatación del tiempo etc, es factible en nuestra vida cotidiana. En teoría si, pero en practica personalmente digo que no, ya que las velocidades y los ritmos de muestras vida son lentísimos en comparación con la velocidad de la luz. Sin embargo, en Cern, la teoría de la relatividad en nivel microscópico, se confirma todos los días...

Entonces si quieres quedarte joven para siempre, hay que empezar a correr, lo más rápido posible... Pero aun si, si quieres el tiempo que pase más lento, empieza a correr!!! jajaja. De engordar nadie ta salva.

En aquella época nadie podía dudar de las teorías del Newton y del Maxwell. Se consideraban personalidades sagradas de Física. Pero Albert, se atrevió y venció...

Newton, lo siento...

Antes de cerrar esta entrada, os adjunto aquí el texto en la obra famosa "Principia Matemática" de Newton, pone por alguna parte:

"...El tiempo verdadero, absoluto y matemático, por si mismo y por su propia naturaleza, fluye de un modo uniforme, no está relacionado con nada externo [...] el espacio absoluto en su propia naturaleza sin relación con nada externo, siempre permanece parecido e inmóvil". Dicho de otro modo, Newton (y Galileo claro) pensaba que el espacio y el tiempo eran conceptos absolutos. O por lo menos, así parecía... 

Mucho más antes que Einstein, por Italia medieval, Galileo introdujo el concepto de la relatividad, pero el se refería a sistemas mecánicos osea sistemas en los que involucraba el movimiento de cuerpos de macrocosmo en los que las magnitudes, velocidad, desplazamiento, tiempo y masa se permanecían inalterables. Es decir, todos estos magnitudes eran iguales para todos los observadores. Pero esos conceptos, creaban conflictos y discrepancias en el electromagnetismo y en la física atómica ya que habían velocidades altas, (velocidades que se aproximaban a la velocidad de la luz).

Los términos que fueron introducidos por la física del Newton y Galileo sobre conservación de cantidad de movimiento y de energía, no se podían aplicar a los reactores nucleares y a la física de las estrellas... Los cálculos no salían. Pero ojo, la física Newtoniana se ha aplicado con mucha precisión a la física de tiros de cohetes, movimientos y trayectorias de planetas etc. Dicho de otro modo, no es que la teoría de Newton no sea válida, sino es deficiente y fue complementada por la teoría de relatividad.

Alguien dijo, que "si tuviera un espejo y me movía corriendo a la velocidad de la luz, me podría ver a mí mismo?" Ahora sabéis...

Espero que os haya parecido interesante igual que a mí.

¡Gracias por leer y hasta la próxima!