Breve introducción histórica a la Relatividad Especial

En 1905, Albert Einstein formuló la Teoría de la Relatividad Especial en su afán por proporcionar una descripción coherente de los fenómenos electromagnéticos, aun cuando ello implicara el abandono de nuestras concepciones tradicionales de espacio y tiempo. El dilema al que se enfrentaban los Físicos en ese período requería ciertamente de una mente inquisitiva como la de Einstein, nada alérgico a los cambios de paradigma.

 

Como es bien sabido, los observadores se valen de relojes sincronizados y sistemas de coordenadas con el fin de realizar mediciones espacio-temporales precisas en sus experimentos. De entre todas las clases posibles de observadores, la Física Newtoniana siempre ha distinguido de manera particular a los denominados observadores inerciales, aquéllos sobre los que no actúan fuerzas netas externas y siguen un movimiento relativo rectilíneo y uniforme (es decir, con velocidad constante). Las reglas clásicas que permitían traducir las mediciones espacio-temporales realizadas por distintos observadores inerciales (las denominadas transformaciones de Galileo, que tan buenos resultados hubieran de producir en el marco de la Mecánica de Newton) eran bien conocidas y resultaban excepcionalmente simples de usar, pero parecían conducir a una inconsistencia irresoluble: modificaban la forma de las ecuaciones de Maxwell, base del electromagnetismo, de manera que las leyes que rigen el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos parecían diferir de un sistema inercial a otro.

 
 

Muy en particular, y de acuerdo con dichas reglas clásicas de transformación, la velocidad de una onda electromagnética en el vacío (ya fuera luz visible, radio o microondas), tradicionalmente denotada como c, dependería del estado de movimiento del observador en relación a su propagación. Así, por ejemplo, y siempre de acuerdo con la lógica galileana, si persiguiésemos un rayo de luz a una velocidad v = c/2, deberíamos observar una disminución en la celeridad de la onda de igual magnitud. Los famosos experimentos de interferometría de Michelson y Morley (1887) demostraron, sin embargo, que la velocidad de la luz c es realmente independiente del estado de movimiento del observador. En otras palabras, aun cuando persiguiéramos a la onda a la mitad de su velocidad, ¡seguiríamos percibiendo que la luz avanza respecto a nosotros con una celeridad igual a c!

 

 

Por paradójico que este hecho pueda resultarnos, Einstein prefirió aceptarlo y analizar sus sorprendentes implicaciones antes que admitir la existencia de un sistema de referencia privilegiado (éter), el único entre todos los sistemas inerciales en el que el electromagnetismo de Maxwell resultaría válido. Por el contrario, Einstein creía firmemente que todos los sistemas inerciales resultan igualmente válidos en la descripción de los fenómenos físicos, incluidos los electromagnéticos. Ello le obligó a renunciar a las transformaciones galileanas y, con ellas, al espacio y el tiempo absolutos de Newton. En su nueva concepción, la distancia entre puntos espaciales o el intervalo temporal entre sucesos se demostraban ahora dependientes del observador, característica ésta ilustrada en la conocida paradoja de los gemelos: 

Un astronauta que realizara un viaje de ida y vuelta desde la Tierra de, digamos, cinco años de duración moviéndose a un 99% de la velocidad de la luz encontraría a su regreso que su hermano gemelo habría envejecido treinta años más que él.

Este hecho puede resultarnos sorprendente, dado que no estamos habituados a velocidades tan elevadas y efectos de dilatación temporal como el descrito son completamente insignificantes en nuestra vida cotidiana, pero se demuestra cierto día a día en el funcionamiento de los aceleradores de partículas o en el incremento aparente de la vida media de los muones producidos en nuestra atmósfera por la incidencia de rayos cósmicos. Analizaremos en detalle la paradoja de los gemelos en un próximo post y comprobaremos que, contrariamente a lo que se afirma en muchas obras de divulgación, no es necesario recurrir a la Relatividad General (la teoría de la Gravitación de Einstein) para explicar el fenómeno.

 

La invariancia de las ecuaciones de Maxwell entre observadores inerciales (plasmada en las denominadas transformaciones de Lorentz) y la constancia de la velocidad de la luz son, pues, los principios motivadores de la Relatividad Especial, que conoce en su identificación entre masa en reposo y energía

E = m₀c²

a su ecuación más popular.