La teoría de la relatividad especial

Antes de la relatividad se creía que había algo en el espacio llamado “éter”, en el que se propagaba la luz y al que se relacionaba con la velocidad de la luz, considerada una constante con respecto al éter; si había más de un observador en movimiento en el éter midiendo la velocidad de la luz era de esperar que midan velocidades de la luz diferentes. De este modo, si se medía la velocidad de la luz mientras se estaba en movimiento en dirección hacia la fuente de luz, era de esperar que se mida una velocidad superior a la velocidad de la luz, que si se midiera la velocidad de la luz estando en un movimiento perpendicular a la luz. Pero el experimento realizado por Michelson-Morley demostró que decir esto es incorrecto y que la velocidad de la luz es constante en todas las direcciones.

Como la velocidad de la luz sigue siendo constante cualquiera sea la velocidad del observador y su dirección, es igual que se esté inmóvil, escapando de la luz o moviéndose en dirección hacia la luz. En todos los casos se medirá una velocidad constante de los fotones de luz que avanzan en dirección a uno. La velocidad del movimiento de uno no suma ni resta a la velocidad de la luz al momento de conocer la velocidad con la que avanzan los fotones de luz hacia uno. En la física de Newton se ha aclarado que si uno se mueve hacia una algo determinado la velocidad de uno debe sumarse a su velocidad para conocer la velocidad con la que se acerca a uno y debe restarse si escapa de uno. Esto significa que la velocidad de la luz es una constante universal que debe tomarse en consideración en las leyes de la física. En base a esto llegó la teoría de la relatividad especial de Einstein en un artículo de investigación que publicó en el año 1905. Anuló el éter y los resultados incorrectos que se derivan de él, anuló el tiempo absoluto independiente del espacio y el movimiento de los objetos pasó a ser real en el espacio-tiempo, y no solamente en el espacio.

Albert Einstein

Según la teoría de la relatividad especial, el tiempo pasa a ser una de las cuatro dimensiones relacionadas entre sí, que son el tiempo y las tres dimensiones espaciales. Esta es la teoría con la que se explica la constancia de la velocidad de la luz, pues la luz alcanza su velocidad máxima permitida en las dimensiones del espacio y ya no tiene una cantidad de movimiento adicional que le permita moverse en la dimensión del tiempo. Esto significa que mientras más rápido se muevan los objetos, más lento fluirá su tiempo. Por ejemplo: si una persona viaja dentro de un vehículo a una velocidad determinada con un reloj para medir el tiempo del viaje, y aparte hay una persona afuera inmóvil midiendo también el tiempo del viaje, la que está en el vehículo registrará un tiempo menor que el que registrará la persona que está inmóvil. Mientras más aumente la velocidad del vehículo, menor será el tiempo que registre. Esta diferencia no puede observarse a las simples velocidades con las que tratamos en general, pero con velocidades cercanas a una gran fracción de la velocidad de la luz será muy observable. Cuando un cuerpo se mueve a la velocidad de la luz el tiempo se detiene para éste, lo cual significa que no registrará ningún tiempo. Sin embargo, ningún cuerpo dotado de masa puede moverse a la velocidad de la luz. No obstante, algunas partículas de materia pueden acelerarse de manera que en los colisionadores de partículas alcanzan velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Se ha observado que sus edades se duplican y se alargan muy considerablemente. Esto significa que cuando se mueven a alta velocidad su tiempo se ralentiza significativamente.

Lo mismo se aplica a las dimensiones del espacio. Por ejemplo: si se mide la longitud de un vehículo inmóvil, y luego se mide la longitud del mismo vehículo mientras está en movimiento a una velocidad determinada con una trayectoria perpendicular a la dirección de medición, esta vez se registrará una longitud menor. Esto no es observable a baja velocidad; porque sería una fracción muy pequeña. Pero a velocidades cercanas a la velocidad de la luz es perfectamente observable.

De lo anterior se desprende que varios observadores en movimiento medirán diferentes tiempos de un solo acontecimiento y que ninguna de las mediciones de ellos puede considerarse más exacta que la otra; porque las mediciones son relativas.

La constancia de la velocidad de la luz en las dimensiones del espacio significa que a la luz no le queda velocidad que le permita moverse a través del tiempo, pues ya ha alcanzado la velocidad máxima permitida en las dimensiones del espacio. Esto significa que el tiempo para los fotones se detiene y que ya no envejecen, o sea, que el pasado y el futuro en sí mismos, con respecto a los fotones de luz, son iguales. Así que los fotones residuales de la radiación cósmica de fondo dejados por el Big Bang, como se explicará en su momento, tienen hoy la misma edad que tenían en el Big Bang. Si suponemos que un hay un ser humano que pueda moverse a la velocidad de la luz (si bien esto es no es posible, pues es imposible que cualquier cuerpo dotado de masa se mueva a la velocidad de la luz) con él ocurrirá lo mismo, para él el tiempo se detendrá, su edad será constante y desde su perspectiva el pasado y el futuro pasarán a ser lo mismo, es decir, que verá el pasado y el futuro en cualquier instante que quiera.

La conclusión de la relatividad especial es que ya no hay un universo tridimensional y una cantidad de tiempo autónoma, sino que el universo ha pasado a ser tetradimensional y el tiempo, una de sus dimensiones. Hemos pasado a tener un espacio y un tiempo que juntos forman un solo tejido interconectado, el movimiento de las cosas en una de sus dimensiones afecta a la trayectoria de éstas en sus otras dimensiones. Así pues, el movimiento de los cuerpos en las tres dimensiones del espacio afecta a la trayectoria de éstos en la dimensión del tiempo.

La constancia de la velocidad de la luz, que permitió a Einstein relacionar las dimensiones espaciales con la dimensión del tiempo y verlas interrelacionadas en conjunto formando un tejido de espacio-tiempo cósmico, también condujo a Einstein a descubrir que la masa de una partícula y la energía de una partícula son equivalentes y están interrelacionadas. Esta fue una de las conclusiones más importantes de la teoría de la relatividad especial. Einstein formuló la ecuación de la equivalencia de la masa y la energía de la forma siguiente:

    \[$\ $E^{2} - p^{2}c^{2} = m^{2}c^{4}\]

    \[$\ $E^{2} = m^{2}c^{4} + p^{2}c^{2}\]

Siendo:

E = energía

c = velocidad de la luz

p = impulso

Cuando el impulso es cero, la ecuación queda de la siguiente manera:

    \[$\ $E^{2} = m^{2}c^{4}\]

O sea:

    \[$\ $E = mc^{2}\]

Generalmente, esta última forma es la habitual.

Mediante la equivalencia de masa y energía se puede demostrar que la velocidad máxima es la velocidad de la luz y nada que tenga masa puede moverse a la velocidad de la luz; porque la energía de su movimiento se suma a la masa (transformándola por la ley de equivalencia). Esto significa que la masa del cuerpo aumenta cuanto mayor sea su velocidad de movimiento y, por consiguiente; requiere también de una energía mayor para moverse. Esta energía también se convierte en masa que se suma a su masa, continuando su aumento de esta manera. Si suponemos que se mueve a la velocidad de la luz su masa será infinita —cualquiera sea la masa intrínseca con la que empezó— y, por ende, requerirá de una energía infinita para moverse. Por esto no es posible —según la ley de equivalencia— que algo dotado de masa se mueva a la velocidad de la luz. La luz, las partículas o las ondas que no tienen masa intrínseca (como los fotones) son las únicas que se mueven a la velocidad de la luz.


Del libro La ilusión del ateísmo del Imam Ahmed Alhasan (a)