La relatividad especial es más que extraña. Entre sus muchas afirmaciones se encuentran que los relojes en movimiento van lento y que las reglas en movimiento se encogen. Pero, ¿cómo se supone que debemos darle sentido a esto? Para entender la física de la relatividad, tenemos que sumergirnos en tiempo un poco.
En 1865, James Clerk Maxwell descubrió que lo que llamamos “luz” son en realidad ondas de Electricidad y magnetismo. Pero como todas las olas, estas olas necesitaban atravesar algo. Las ondas sonoras se mueven a través del aire. Las olas del océano se mueven a través de los océanos. Así que Maxwell creía que las ondas de luz viajaban a través de una sustancia conocida hoy como el apropiadamente antiguo “éter luminífero”.
Este “éter” (o “éter”) tenía que tener algunas propiedades extrañas. No podías sentirlo, tocarlo, olerlo o sentirlo de otra manera. Así que tenía que ser casi invisible pero también tenía que permitir que la luz lo atravesara, por lo que tenía que existir. A finales del siglo XIX hubo muchos debates sobre la naturaleza del éter y resulta que todo el mundo estaba equivocado.
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Pero no sabían que estaban equivocados hasta que un par de científicos decidieron medir nuestro movimiento a través del éter en 1887. Ese par era Albert Michelson, de la Escuela Case de Ciencias Aplicadas, y Edward Morley, de la Universidad Western Reserve, quienes idearon un experimento que ahora llamamos experimento Michelson-Morley en un lugar que ahora llamamos Universidad Case Western Reserve.
La idea básica es que si el éter existe, deberíamos estar nadando a través de él y deberíamos notar este movimiento como un cambio en la velocidad de la luz.
El experimento de Michelson-Morley intentó medir esto y fracasó totalmente. Entonces hubo un problema. La luz es una onda y debe moverse a través de algo: el éter. Pero parece que no podemos medir nuestro propio movimiento a través del éter. Entonces, ¿qué está pasando?
Contracciones prolongadas
Poco después del experimento Michelson-Morley, el físico Oliver Heaviside notó algo extraño: cuando las cargas eléctricas se ponen en movimiento, sus campos eléctricos se aplastan un poco en la dirección de ese movimiento.
Luego vino Hendrik Lorentz, quien tuvo una idea absolutamente maravillosa: si todos estamos hechos de cargas eléctricas y los campos se reducen cuando se mueven, entonces tal vez nosotros encogerse cuando nos movemos. Así que no podemos medir los cambios en la velocidad de la luz debido a la contracción de la longitud: a medida que nos movemos a través del éter, la velocidad de la luz cambia, pero también lo hace nuestro aparato de medición, anulándola así.
Esta se consideró una teoría bastante exitosa; Funcionó y explicó todos los datos. La materia se aplasta cuando se mueve debido a algunas interacciones físicas, y el éter está ahí pero es indetectable.
Entonces, Einstein apareció y formuló una pregunta muy importante: si este éter es siempre y para siempre indetectable, entonces ¿por qué lo necesitamos? ¿Por qué no dejamos que las cosas se contraigan por sí solas, no para explicar algún resultado experimental que no nos guste, sino como un simple hecho de el universo?
Este es el gran resultado de Einstein. Otras personas trabajaban en la dirección de la relatividad, pero nadie dio el salto que él dio. Einstein declaró que la contracción de la longitud era una característica, no un error, del universo. No más éter, no más intentos de encajar una clavija electromagnética cuadrada en un agujero redondo de éter. Las longitudes se contraen cuando se mueven. Período. Fin de la discusión.
La contracción de longitud de Einstein era un poco diferente de la de Lorentz. Para Lorentz, fue un efecto físico, cosas que se mezclaban. Para Einstein, era una característica de espacio en sí mismo, independientemente de los objetos reales. Y esta comprensión permitió a Einstein dar otro poderoso salto.
El nacimiento de la relatividad
Para que todo funcionara, Einstein se dio cuenta de que tenía que haber un toma y daca. No se puede simplemente tener una contracción de longitud (las reglas en movimiento se encogen) por sí sola. También es necesario dilatar el tiempo: los relojes en movimiento funcionan lento. Estos siempre trabajan juntos para permitir que todas las observaciones y todas las perspectivas tengan sentido.
Por ejemplo, tomemos el humilde muón, el hermano más pesado del electrón. Debido a que el muón es masivo, tiene una vida corta: sólo 2,2 microsegundos. Cuando las partículas energéticas chocan con las moléculas de aire en la atmósfera superior, generan muones que luego descienden como un rayo hacia el suelo.
Estos muones viajan casi a la velocidad de la luz, pero aún no es lo suficientemente rápido como para que puedan llegar al suelo durante sus cortas vidas. Pero la relatividad nos enseña que los relojes en movimiento van lento; desde nuestra perspectiva, los muones persisten mucho más tiempo, por lo que tienen tiempo más que suficiente para hacer el viaje.
Pero el muón tiene una perspectiva diferente. Desde su punto de vista, no experimenta dilatación del tiempo, desde el cual existirá sólo durante 2,2 microsegundos. Entonces, ¿cómo es que el muón tiene tiempo suficiente para llegar a la Tierra desde su perspectiva? La respuesta de este lado es la contracción de la longitud: desde la perspectiva del veloz muón, la distancia al suelo es mucho más corta, por lo que no tiene que llegar tan lejos.
Relatividad especial es la maquinaria matemática que necesitamos para cambiar de perspectiva y mantener todo organizado. Puede que el universo esté loco, pero al menos sigue reglas que podemos entender.