Pedro Gómez-Esteban González - Relatividad especial sin fórmulas

Una introducción razonada a la Teoría Especial de la Relatividad de Albert Einstein. En unas cien páginas intenta hacer comprensible al lego, sin utilizar fórmulas matemáticas, las bases de la relatividad einsteniana partiendo de los dos postulados establecidos por el alemán en 1905.

Después de establecer un breve contexto histórico, el libro deduce de manera razonada las consecuencias más importantes de la relatividad especial: la relatividad de la simultaneidad, la dilatación del tiempo, la contracción de la longitud, el aumento de masa y la adición relativista de velocidades.

En una segunda parte del libro se destripan las dos paradojas relativistas más importantes, la del palo y el granero (o del corredor) y la paradoja de los gemelos. Finalmente, se recorren las confirmaciones experimentales más contundentes sobre la relatividad especial.

Ésta serie intenta, a lo largo de sus diez artículos, servir de introducción razonada a la Teoría Especial de la Relatividad de Albert Einstein. Sin utilizar fórmulas, trata de mostrar cómo a partir de los dos supuestos de Einstein, toda su teoría aparece como consecuencia lógica e inevitable.

Pedro Gómez-Esteban González

ePub r1.6

Piolin 27.10.2015

Título original: Relatividad Especial sin fórmulas

Pedro Gómez-Esteban González, 2011

Editor digital: Piolin

ePub base r1.2

PEDRO ESTEBAN-GÓMEZ GONZÁLEZ. Nacido en Sevilla, estudió Física y es profesor de Inglés, Física, Tecnología y Ciencias de la Naturaleza en el Colegio Nuestra Señora Santa María de Madrid. Escribe los artículos de divulgación científica y noticias de actualidad científica o tecnológica en su blog eltamiz.com

En la entrada del «pozo intuitivo», manolo me pide que explique por qué no se puede ir más rápido que la velocidad de la luz. Le he estado dedicando tiempo a pensar cómo hacerlo sin usar fórmulas y sin dar cosas por sentado, para que no sea simplemente «pues porque esta ecuación dice que haría falta una energía infinita», que es lo que suelo leer por ahí… y no puedo hacerlo. Al menos, no sin establecer unas bases antes.

De manera que, al final, he decidido «tirar por el camino de enmedio» y dedicar una serie entera de Ahora que lo pienso… a la Teoría de la Relatividad Especial, y de paso contestar a la pregunta de manolo. Eso sí, siendo esto El Tamiz vamos a intentar no utilizar fórmulas sino hablar de las cosas cualitativamente. Mi objetivo es explicar que todas las «cosas raras» que parecen pasar cuando vas muy rápido (la dilatación del tiempo, contracción de la longitud, etc.) son consecuencias muy lógicas e inevitables de un punto de partida muy sencillo.

Es posible que esta serie entera te parezca un rollo insoportable: lo siento, pero si quieres respuestas tendrás que tener paciencia conmigo, porque quiero ir poco a poco. Todos los artículos de esta serie van a tener «Relatividad sin fórmulas» en el título, de modo que puedes saltártelos y punto final. Por supuesto, el aviso obligatorio de El Tamiz: esto no es un análisis exhaustivo de la relatividad y vamos a realizar simplificaciones que pondrán a cualquier físico decente los pelos de punta. Simplificaciones tremendas… y lo peor es que nos gusta así.

En esta primera entrega de la serie, vamos a hablar de cuál es la situación de la física relativa a la luz y el movimiento en 1905, cuando Einstein publica su genial Teoría de la Relatividad Especial.

A finales del siglo XIX, las leyes que regulan el movimiento de los objetos materiales estaban muy establecidas. Uno de los principios más importantes, el Principio de Relatividad de Galileo, afirmaba que no hay forma de saber si un sistema está quieto o se mueve a velocidad constante. Esto tiene sentido: imagina que tú y un amigo os movéis por el vacío, el uno hacia el otro a velocidad constante. Tú pensarías que estás quieto y que él se mueve hacia ti. Él pensaría que está quieto y que tú te mueves hacia él. No hay ningún experimento que ninguno de los dos pueda hacer para demostrar que tiene razón. ¿Quién está quieto y quién se mueve? No hay manera de saberlo.

Pero este principio no se aplicaba a las ondas. De acuerdo con las teorías de la época, sí se podía saber quién se mueve o quién está quieto, porque las ondas electromagnéticas, como la luz, se mueven a una velocidad conocida en el vacío: 300 000 km/s. El que mida que la velocidad de la luz es 300 000 km/s, es el que está quieto. El que no mida esa velocidad, se mueve. De manera que, hacia 1900, el Principio de Relatividad (también llamado Principio de Equivalencia) sólo se aplicaba al movimiento de objetos, pero no a la luz.

A estas alturas, los físicos estaban de acuerdo en que la luz era una onda. Sin embargo, todas las otras ondas conocidas hasta entonces, como por ejemplo el sonido, necesitaban de un medio por el que propagarse (como el agua, una cuerda o el aire). ¿Por dónde se propagaba entonces la luz? ¿Cómo nos llega, por ejemplo, desde el Sol, si no hay nada entre nosotros? (Hoy en día sabemos que no hay necesidad de un medio de propagación, pero entonces se pensaba que sí era necesario).

Una posibilidad es que entre nosotros sí haya algo. Es posible que la Tierra no se mueva por el vacío, sino que haya un medio que llena todo el Universo y en el interior del cual se mueven los astros. Los científicos que propusieron su existencia lo llamaron éter luminífero. La luz que sale del Sol nos llega a través del éter, con lo que el problema queda resuelto. Además, puesto que el éter está quieto (es el «sistema de referencia absoluto» del Universo), la luz se mueve a 300 000 km/s respecto a él, y las teorías del electromagnetismo de la época (sintetizadas en las ecuaciones de Maxwell) se cumplían perfectamente.

Pero los científicos no dejan las cosas estar, es lo que tienen: siempre hacen preguntas. Por ejemplo, ¿no debería la Tierra, al moverse dentro del éter como un barco en el agua, rozar con él y frenarse? Además, todas las demás ondas, como el sonido, se propagan más deprisa cuanto más denso es el material por el que se mueven, y la luz es la onda más rápida de todas… ¿no debería el éter ser muy denso? ¿Cómo podemos entonces movernos a través de él sin notarlo?

Sin embargo, al no haber otra explicación posible, muchos físicos aceptaban la existencia del éter, que sólo tenía sentido si se consideraba que tenía propiedades muy raras: era extraordinariamente tenue e invisible, de modo que ni lo notamos ni rozamos contra él, y todas las estrellas y planetas se mueven a través de él sin alterar su camino. La luz lo utiliza como medio de propagación, de modo que puede viajar por el aparente vacío.

Por supuesto, en seguida surgió la pregunta: si el éter está quieto pero la Tierra se mueve a través de él, ¿cómo de rápido nos movemos? Saberlo no sería difícil. Imagina la siguiente situación: te mueves a través del éter por el vacío interestelar, pero no sabes cómo de rápido. Lo único que sabes es que la luz se propaga por él siempre a 300 000 km/s. ¿Cómo podrías saber tu velocidad?