Sobre la teoría de la relatividad especial, por Marcial Fonseca
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En setiembre se cumple otro aniversario del tercer artículo publicado por Alberto Einstein en su Annu mirabilis (1905), la teoría de la relatividad especial, que fue considerado un artículo tan desangelado que no mereció el premio Nobel; sin embargo, dicha teoría fue el estriberón de la ciencia para transitar la frontera entre las físicas newtoniana y moderna. Las tinieblas que indefinían el camino era el comportamiento de la luz.
Según Maxwell (c. 1862), la velocidad de la luz era la misma para todos, como ya lo sabían los astrónomos. Estos habían detectado que la velocidad de la luz proveniente de una estrella era independiente de si la tierra se acercaba o alejaba de ella; los científicos se regodeaban en ser capaces de medir tan alta cifra; pero eran incapaces de ver las consecuencias de la constancia de la velocidad de la luz.
Aclaremos. Los sistemas que se mueven a velocidades constantes, incluyendo estar estacionarios, son equivalentes y las leyes físicas en ellos son las mismas; de hecho, no hay experimento interno posible que determine si un sistema se mueve o no.
Amigo lector, usted como observador externo, imagínese lo siguiente: un vehículo alcanza a otro, a partir de ahí, usted medirá sus velocidades. El primero recorre en una hora 70 km; el segundo, 50 km; para el lector las velocidades serán 70 km/h y 50 km/h, mientras que, para el conductor lento, el rápido se mueve a una velocidad de 20 km/h. Reemplacemos el carro veloz por un rayo de luz. Tanto el lector como el conductor lento medirán la misma velocidad de la luz. La ciencia, ya en 1887, había desarrollado las fórmulas que entrelazaban la distancia y el tiempo con la absolutez de la velocidad de la luz.
Alberto Einstein desentrañaría el misterio. Y empezó joven. A los 16 años se le ocurrió el siguiente gedankenexperiment (experimento mental en alemán). Visualizó que perseguía un rayo de luz y eventualmente se montaba en él. Al lograrlo, la luz para él no estaría moviéndose; y al no moverse, (la luz es un campo eléctrico variable que da origen a un campo magnético variable, y este a un campo eléctrico variable, así sucesivamente), la velocidad sería cero, y por ello dejaría de ser luz. Era evidente, dedujo, que obviaba algo. Esto lo preocupó por años; más tarde ideó otro experimento mental. Iba en un tren que se desplazaba a la velocidad de la luz; se preguntó si teniendo un espejo frente a él, se vería reflejado. Su imagen nunca llegaría al espejo por estar este alejándose a la velocidad de la luz; si esto sucedía, inferiría que estaba en movimiento, y hemos dicho que no hay manera de detectar, internamente, si un sistema se mueve. Ahora, si se veía reflejado, la luz desde su cara estaría viajando a la velocidad esperada respecto al tren; pero cualquier observador externo diría que la luz de su cara al espejo estaría viajando a dos veces la velocidad de la luz, de suyo imposible.
Su genialidad lo llevó a colegir que los objetos a altas velocidades tenían que afectar la distancia y el tiempo para preservar la constancia de la luz. Einstein utilizó las fórmulas desarrolladas en 1887 e infirió que los objetos en movimiento achican la distancia y ralentizan el tiempo. La velocidad de la luz no es relativa en la teoría de la relatividad especial.
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Claro, en nuestras velocidades cotidianas, es imposible detectarlo. Años después, los científicos pudieron demostrarlo con unas partículas generadas por rayos cósmico, de nombre muones. Su vida media es de 2 µseg (una vez generado, el muón desaparece en ese lapso). Los muones generados a 25 kilómetros de altura sorprendieron a los científicos porque las partículas penetraban la superficie terrestre; esto era inexplicable; ellas se desplazaban a casi la velocidad de la luz, pero en 2 µseg apenas recorrerían menos de 1 km.
La teoría de la relatividad especial vino al rescate de los físicos newtonianos. Para un muón, a su velocidad de desplazamiento, el tiempo marcha 70 veces más lento, es decir, 2 µseg se convierten en 0.14 miliseg; con lo que será capaz de recorrer unos 42 kilómetros.
Una pregunta interesante, ¿cómo lo explicaría el muón? Amigo lector, imagínese que viaja con la partícula, y recurramos a Einstein. Los objetos en movimiento achican la distancia; recuerde como cuando viaja en un vehículo, usted y el carro no se mueven el uno respecto al otro, es el entorno que se está moviendo, en sentido contrario, claro. La tierra se dirige hacia los muones, y estos no están a 25 km, distan apenas 360 m. ¿Calcularon el factor de achicamiento?, exacto, 70, factor de enlentecimiento del tiempo de los muones.
Marcial Fonseca es ingeniero y escritor.
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