La Teoría de la Relatividad en palabras sencillas

En este artículo trataremos de explicar, en palabras llanas, una de las teorías científicas más importantes por el potencial explicativo que tiene de las nuevas interrogantes que día a día se generan con el desarrollo de la ciencia.

Antes de Albert Einstein, existía una incompatibilidad entre la mecánica de Newton[1] y el electromagnetismo[2] de Maxwell. Cuando este último en 1864 describió el comportamiento de las partículas cargadas con campos electromagnéticos y la naturaleza ondular de la luz, determinando que viajaba a una velocidad constante, automáticamente entró en conflicto con postulados de Newton, sobre todo en lo relacionado a la adición de velocidades.

Es con la Teoría de la Relatividad que se demuestra que ambos postulados (tanto de Newton como de Maxwell) son válidos, pero en contextos diferentes. Para desarrollar su teoría, Einstein necesitó más de 10 años y dos versiones: Teoría de la Relatividad Especial (1905) y Teoría de la Relatividad General (1915).

¿Quién fue Albert Einstein?

Fue un físico alemán, nacido en 1879 en la ciudad del Ulm, de origen judío, que luego optó por la nacionalidad suiza, austríaca y estadounidense. Cuando contaba con apenas 26 años, desconocido en el mundo científico, y siendo un empleado de la Oficina de Patentes de Berna, publicó su Teoría de la Relatividad Especial, en la cual explicaba la ecuación física más conocida a nivel popular: E = mc².

Albert Einstein

En 1915 publicó la Teoría de la Relatividad General la cual replanteó completamente la noción de gravedad. Una de las inmediatas consecuencias de esta publicación fue el surgimiento de la cosmología como rama de la física dedicada a explicar el origen del Universo y su evolución.

En 1921 le es concedido el Premio Nóbel de Física, curiosamente por sus estudios sobre el efecto fotoeléctrico y no por su Teoría de la Relatividad. Según trascendió luego, el científico de la Academia de Sueca de Ciencias encargado de evaluarla no pudo entenderla y en esa época era considerada una teoría muy controversial.

Albert Einstein es considerado hoy en día el científico más conocido y popular del siglo XX.

¿En qué consiste la Teoría de la Relatividad?

En esencia, la teoría de Einstein plantea que el concepto espacio y tiempo son relativos, porque dependen al estado de movimiento del observador. Esta idea fue revolucionaria desde el principio, porque tiraba por la borda el carácter “constante” que ambos conceptos (espacio y tiempo) tenían en la teoría newtoniana.

Ante todo, hay que explicar que la Teoría de la Relatividad Especial se centraba en la explicación del movimiento de los cuerpos en ausencia de un campo gravitatorio y la Teoría de la Relatividad General sustituye completamente la Ley de Gravedad de Newton (aunque coincide con ella para campos gravitacionales débiles y bajas velocidades, como ocurre en el planeta Tierra).

Dada la complejidad de la teoría, se recurre a varios ejemplos y paradojas didácticos para explicar la relatividad del concepto espacio-tiempo:

• Un tren y un automóvil corren en línea recta paralelamente a 100km/h. Para el pasajero del tren que observa al automóvil desde su ventana, éste viaja a 0Km/h porque no se mueve con respecto a él. Para un observador que esté en la carretera, ambos viajan a 100Km/h.  Por otro lado, si el automóvil acelera a 110Km/h, para el pasajero del tren éste empieza a moverse a una velocidad de 10Km/h, mientras que el observador que está al borde de la carretera sí puede distinguir que el tren va a 100Km/h y el automóvil a 110Km/h.

  

  Gráfico que muestra la relatividad de la velocidad, según el observador

• Dentro del vagón de un tren que va a 200Km/h un pasajero lanza una pelota de un extremo a otro a 20Km/h. Para un observador externo que está parado en la carretera, el tren va a 200Km/h y la pelota a 220Km/h, aunque el pasajero solamente pueda percibir los 20Km/h de la pelota lanzada.
• Si te encuentras en una tormenta donde la lluvia te golpea en la espalda, al correr en la misma dirección del viento la lluvia te impactará con menor fuerza mientras mayor sea tu velocidad. Es decir, la velocidad de la lluvia será mucho menor mientras mayor sea tu propia velocidad.
• Si una persona viaja durante varios meses al espacio a una velocidad cercana a la luz y deja a su hermano gemelo en la Tierra, al retornar lo encontrará muchos años más viejo porque para el viajero el tiempo ha transcurrido más lentamente y para su hermano transcurrió más rápido (Paradoja de los Gemelos).

Imagen que representa la Paradoja de los Gemelos

Estos ejemplos ayudan a explicar que los conceptos velocidad, espacio y tiempo son relativos según la posición y movimiento del observador. 

Podemos resumir las siguientes como las principales bases sobre las que se fundamenta la Teoría de la Relatividad:

• El movimiento de los objetos depende de la velocidad y posición del sujeto que los observa
• Nada en el Universo tiene una velocidad y posición absoluta
• La luz es la única excepción a la anterior regla, por tener una velocidad constante y es al mismo tiempo la mayor velocidad que puede alcanzar un cuerpo
• En la luz no hay ni espacio ni tiempo, solo masa y energía
• El espacio-tiempo no será plano en presencia de materia, en cuyo caso se convierte en curvatura espacio-tiempo y que es percibida como “campo gravitatorio”
• La presencia de materia o energía curva el espacio-tiempo y eso afecta la trayectoria de los cuerpos, incluyendo la luz

Curvatura del espacio-tiempo según la Teoría de la Relatividad

Estos postulados impactaron radicalmente a la ciencia y cambiaron para siempre la idea que la humanidad tenía sobre el tiempo y el espacio.

La Teoría de la Relatividad en nuestra vida diaria

Las ideas de Albert Einstein han sido comprobadas ampliamente a través de los años. De hecho, varios implementos tecnológicos y diversos hechos naturales verificados funcionan o se explican en base a los principios establecidos por la Teoría de la Relatividad. Veamos:

Geolocalización a través del mecanismo de trilateración de GPS

• Sistema de Posicionamiento Global (GPS): Este sistema, desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos en el año 1993, permite la localización de cualquier objeto o persona en toda la geografía terrestre con la ayuda de 32 satélites mediante la técnica de trilateración[3]. Estos satélites portan abordo relojes atómicos (que les permiten tener una gran precisión), pero debido a que viajan a una gran velocidad (10000 km/h) la dilatación espacio-tiempo produce una distorsión de 4 a 7 microsegundos diarios. Por tal razón, esos factores son tomados en cuenta para asegurar la precisión de sus mediciones. De lo contrario, el posicionamiento acumularía un error de aproximadamente 11 km al día.
• Electroimán: Como sabemos, es un tipo de imán elaborado en base a un metal por el que pasa una corriente eléctrica, la cual genera un campo electromagnético. Estos metales energizados solamente afectan magnéticamente a objetos en movimiento, no a objetos inertes. Por tanto, en ellos se cumple un principio relativista.
• El color y las propiedades del oro: Aunque parezca no tener nada que ver, el color dorado que refleja el oro es producto de un principio de la Teoría de la Relatividad. Al ser uno de los metales más pesados, sus electrones internos se mueven a una velocidad tal que aumenta su masa significativamente, alterando la longitud de onda de la luz que es absorbida, en este caso el color azul, permitiendo reflejar los tonos más rojizos. En otras palabras, el oro en realidad tiene una tonalidad muy diferente a la que podemos percibir. Igualmente, el hecho de que sus electrones se muevan tan rápidamente y tan cerca del núcleo, impide que se pueda corroer fácilmente.

  

  Curvatura de la luz de una estrella durante un eclipse solar

• La luz se curva por la gravedad: En 1919 (y posterior a eso muchísimas veces más) varios científicos comprobaron en un eclipse solar ocurrido ese año que la luz proveniente de las estrellas que se encontraban detrás del Sol modificaba su trayectoria al tener que pasar por las inmediaciones del mismo.
• Plantas nucleares y bombas atómicas: La conversión de la masa en energía es el principio relativista que quedó demostrado con la física nuclear y la liberación de energía a través de la fusión o fisión nuclear[4].

  

  Imagen de la explosión de una supernova

• Las estrellas supernovas: Las explosiones de las supernovas se producen al momento de la muerte de estrellas masivas que se contraen repentinamente (colapsan) y generan una fuerte emisión de energía.

  

  Distorsión de la luz por la presencia de un Agujero Negro

• Los agujeros negros: Es una región finita del espacio que en su interior alberga una concentración de masa tan densa que genera un campo gravitacional que no permite que ninguna partícula pueda escapar de ella, ni siquiera la luz. En el año 2004 se realizó el primer descubrimiento de un agujero negro super masivo, en el centro de una galaxia distante a unos 12700 millones de años luz. Posteriormente, en el 2009, científicos alemanes descubrieron un agujero negro en el centro de la Vía Láctea que es 4 millones de veces más pesado que nuestro Sol.

Científicos de todo el mundo han puesto a prueba la Teoría de la Relatividad, y hasta el momento Einstein ha salido victorioso. De todas las predicciones hechas por él, la última en ser validada fue la referente a las ondas gravitacionales[5]. Esto ocurrió recientemente, en el 2015, gracias al experimento LIGO[6] en Estados Unidos.

La popularidad de Einstein no solamente se debió a su genial producción científica. Su activismo pacifista a ultranza (manchado por su inicial apoyo a la construcción de la bomba atómica con fines disuasorios, aunque nunca estuvo de acuerdo con utilizarla en la práctica); su sionismo parcial que nunca le permitió aprobar la creación del Estado de Israel; su agnosticismo que supo mantenerlo cercano a conceptos místicos; sus creencias socialistas democráticas y su amor por la libertad de expresión; le convirtieron en un verdadero ídolo mundial.

Definitivamente la Teoría de la Relatividad cambió diametralmente la forma en que concebimos el Universo, generó el apetito en el mundo científico para seguir profundizando sobre sus misterios y alimentó la imaginación de escritores y artistas sobre las nuevas cosas por descubrir. Gracias a Einstein, para todos nosotros hoy el Universo es una tela elástica que se expande, donde el tiempo se convierte en una variable más.

Mientras Newton pudo explicar las leyes que regían a nuestro pequeño mundo, Einstein fue capaz de hacerlo con las que rigen al Universo.

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[1] Formulación planteada en el siglo XVII por Isaac Newton que estudia los cuerpos en reposo o a velocidades pequeñas

[2] Formulada por James Maxwell en el siglo XIX, describe los fenómenos físicos en los que intervienen campos electromagnéticos en sustancias sólidas, líquidas y gaseosas

[3] Método matemático para localizar un punto específico mediante la referenciación a dos o más puntos conocidos (puntos de referencia). Por lo general, la trilateración implica la utilización de, al menos, tres satélites.

[4] Fusión y fisión nuclear son dos tipos de reacciones nucleares que liberan energía almacenada en el núcleo de un átomo. La fusión nuclear consiste en la combinación de núcleos ligeros para formar uno más grande y la fisión nuclear es la separación de un núcleo pesado en núcleos más pequeños.

[5] Es una perturbación en el espacio-tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado que se transmite a la velocidad de la luz

[6] Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de ondas gravitatorias por interferometría láser), funciona en Louisiana, Estados Unidos