Relatividad especial para "dummies"

La teoría de la Relatividad (que no tiene nada que ver con los clásicos "Todo es relativo" o "Eso es como todo" ) se trata en realidad de dos teorías: la Relatividad Especial y la Relatividad general. Ambas teorías fueron propuestas por Einstein con una separación de 10 años aproximadamente. En este post, os quiero contar algo sobre la Relatividad Especial (que en realidad es un caso particular de la General) que es mucho más sencilla de entender de lo que la gente supone.

La Relatividad Especial ha dado mucho de que hablar acerca de los viajes en el tiempo. Para zanjar la discusión antes de empezar con los detalles resumiré: la Relatividad Especial dice que viajar al futuro es trivial pero viajar al pasado es imposible. En otras palabras, podríamos visitar a nuestros descendientes, pero no podemos volver para contarlo. Veamos por qué y qué ideas dieron origen a la Relatividad Especial.

A finales del siglo XIX, la teoría de Maxwell (de quien ya hablamos en otra ocasión)
del electromagnetismo era firmemente aceptada. En parte por su belleza (Maxwell consiguió unificar la electricidad con el magnetismo como si se tratase de dos caras de la misma manera) pero esencialmente porque proporcionaba una explicación acerca de qué era la luz. Sí, la luz. Algo tan intangible y tan diverso es una solución particular de las ecuaciones de Maxwell
Dichas ecuaciones predecían además el valor de la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente c=300.000 Km/s. Esta predicciómn fue corroborada experimentalmente.

Todo era perfecto...salvo un "pequeño" detalle. Cuando uno habla de velocidad, en realidad se refiere a velocidad respecto a algo. Por ejemplo, cuando nos ponen una multa por exceso de velocidad, esa velocidad es relativa al suelo (porque respecto al copiloto estás quieto). Como los planetas se mueven, así como el sol y las estrellas, a Maxwell y sus contemporáneos se les ocurrió la explicación del "éter". Una sustancia imperceptible e intangible que está en reposo absoluto respecto al universo (sería como el suelo de la carretera en la analogía anterior). Pero, claramente, esta teoría tenía muchos puntos débiles como el propio Maxwell ya sabía.

La explicación del éter terminó de derrumbarse gracias al más famoso experimento fallido de la Historia, el experimento de Michelson-Morley. En este experimento se observó que la velocidad de la luz era siempre la misma, con independencia del sistema de referencia que uno utilice. En otras palabras que por mucho que uno corra, siempre nos parecerá que la luz se aleja de nosotros con la misma velocidad.

Aquí es cuando Einstein entró en escena en 1905. En aquel año Einstein publicó una serie de artículos que revolucionaron la forma de entender la Física y hasta en la forma de concebir el mundo (Filosofía).
Uno de ellos, que podéis descargar gratuitamente en este enlace (está en inglés, el original estaba en alemán), se llamaba "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento". En él, Einstein postula que, tal como demuestran los experimentos, la velocidad de la luz es la misma en cualquier sistema de referencia. El resto del artículo versa sobre las consecuencias físicas de esta conjetura.

Trataré de explicarlo de la manera más sencilla posible. Imaginemos el siguiente experimento mental (así le gustaba a Einstein denominarlos). Estamos en el interior de un tren que pasa por la estación a una cierta velocidad. En un momento dado encendemos una luz que apunte hacia el suelo del tren (ver figura). La luz desciende, se refleja en el suelo y vuelve a subir. Si sostenemos la linterna a un metro del suelo, esto habrá llevado (recordemos, velocidad = espacio /tiempo) un tiempo:
T1=2/c
donde el 2 aparece porque la luz, primero baja y luego sube, es decir recorre el "metro" dos veces.

Veamos qué ve alguien que observe el mismo experimento desde la estación (parte derecha de la figura). La luz desciende pero a la vez avanza puesto que el tren lo hace, se refleja y sube...pero sigue avanzando. No sabemos cuántos metros "L" ha recorrido, pero claramente más que dos, porque además de bajar y subir avanza hacia la derecha. si calculamos el tiempo que ha llevado este experimento para el observador en la estación, será:
T2=L/c

Como el recorrido L es mayor que los dos metros del experimento dentro del tren, esto significa que el tiempo ha pasado más despacio para la persona dentro del tren que para la que está fuera!!!!!

Repetimos, "el tiempo ha pasado más despacio para la persona dentro del tren que para la que está fuera". En definitiva, EL TIEMPO ES RELATIVO. Con esto no me refiero al tiempo "psicológico" que hace que estar con unos amigos se pase rápidamente pero estar en clase se haga eterno. Me refiero al tiempo físico, al que miden los relojes. La contracción del tiempo del observador en movimiento está más acentuada cuanto mayor sea la velocidad del mismo. La teoría también implica que no se puede alcanzar la velocidad de la luz (si uno quiere conservar su masa).

Este fenómeno ha dado lugar a una extensa fenomenología, relacionada generalmente con los viajes espaciales. Por ejemplo si un astronauta viaja en una nave espacial a una velocidad muy elevada (recordemos que a mayor velocidad, mayor es el efecto). Al volver a la Tierra, para él habrá pasado mucho menos tiempo que el que habrá pasado para el resto de los terrícolas.

Así que, ¿viajar al futuro? Fácil, viaja a velocidades muy altas y al volver ya estarás en el futuro. Viajar al pasado no es tan sencillo. La teoría dice que si se puediese hacer, se rompería el principio de causalidad, es decir, los efectos precederían a las causas, lo cual, para la Física actual, es totalmente inaceptable.

Bueno, espero que os haya quedado algo más claro el tema (recordad el experimento del tren que es sencillo de explicar e infalible para convencer al más excéptico) y ya sabéis, cuando alguien os diga eso de "Todo es relativo", podéis añadir en un alarde de snobismo "Sí, pero depende de la velocidad a la que uno se mueva". Mejor no lo hagáis, salvo que ya tengáis pareja y estéis seguro de que no la vais a perder...