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

Relatividad especial sin fórmulas

ePub r1.6

Piolin 27.10.2015

Título original: Relatividad Especial sin fórmulas

Pedro Gómez-Esteban González, 2011

Editor digital: Piolin

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Preludio

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?

Fácil: podrías coger una linterna y apuntar en una dirección determinada, y medir la velocidad de la luz de la linterna. Luego elegir otra dirección y medir la velocidad de la luz. Y la luz se movería más rápido en unas direcciones que en otras, porque se mueve a 300 000 km/s respecto al éter y tú te mueves respecto a él en una dirección.

Por ejemplo, imaginemos que te mueves a 1000 km/s en el éter. Si apuntaras la linterna hacia «delante» en tu movimiento, estarías persiguiendo a la luz que sale de la linterna, de modo que su velocidad respecto a ti sería 299 000 km/s. Si apuntaras la linterna hacia atrás, te estarías escapando de la luz, de modo que se movería respecto a ti a una velocidad de 301 000 km/s.

De manera que los físicos hicieron justo eso: medir la velocidad de la luz en diferentes direcciones para saber cómo de rápido nos movemos en el éter. El experimento más famoso, por su extraordinaria precisión y simpleza, fue el de Albert Michelson y Edward Morley (aunque no vamos a detallarlo aquí, se basa más o menos en el razonamiento que hemos hecho antes).

Michelson y Morley midieron la velocidad de la luz con una precisión inmensa en muchas direcciones diferentes, y el resultado que obtuvieron fue concluyente: la velocidad de la luz era exactamente la misma en todas direcciones. En otras palabras, de acuerdo con las suposiciones de la época, la Tierra estaba totalmente quieta en el éter.

De hecho, hubo gente que pensó que tal vez diera la casualidad de que en ese momento la Tierra realmente estuviera quieta en ese punto de la órbita alrededor del Sol. De manera que se repitió el experimento seis meses después (cuando la Tierra se está moviento en sentido contrario alrededor del Sol). El resultado: la velocidad de la luz era exactamente la misma en todas direcciones. ¡Pero si se había medido en momentos diferentes y en direcciones diferentes! ¿No debería notarse la diferencia?

En ese momento, en el que por un lado el Principio de Relatividad de Galileo era aceptado para las partículas pero no las ondas, de modo que teóricamente mediante la luz podríamos saber a qué velocidad nos movemos, y por otro lado la velocidad de la luz parecía ser siempre la misma de manera que debíamos estar quietos todo el tiempo a pesar de movernos alrededor del Sol… algo no encajaba.

Aquí, por supuesto, entra Einstein y rompe la física anterior en mil pedazos. Pero eso lo discutiremos en el segundo capítulo de esta serie, en el que analizaremos los postulados de los que parte el genial físico para establecer su teoría y empezaremos, finalmente, a zambullirnos en las procelosas aguas de… bueno, no: la verdad es que las aguas de la Relatividad Especial no son nada procelosas, y espero que cuando acabe esta serie estés de acuerdo conmigo.

Gracias por la paciencia de leer esta entrada tan larga, pero era necesario saber de dónde partimos cuando empecemos con el heavy metal de la contracción de la longitud y cosas así, y para comprender lo revolucionario de la teoría de Einstein.

Los Postulados

En la primera entrada de esta serie acerca de la Teoría Especial de la Relatividad hablamos acerca de la situación de la física referente al movimiento y las ondas a principios del siglo XX. En este segundo artículo vamos a seguir avanzando poco a poco, sentando las bases para más adelante extraer conclusiones: hablaremos sobre los dos postulados en los que Einstein basa su teoría.

Los avisos oportunos: El Tamiz sigue el lema de Antes simplista que incomprensible, de modo que si quieres exactitud y corrección extremas, mejor vas a otro sitio. En segundo lugar, esta serie tarda cierto tiempo en llegar a «lo divertido» de la relatividad (creo que lo empezaremos en la siguiente entrega), pero tienes que tener paciencia y entender bien las bases antes de llegar a lo más enjundioso de la teoría.

Dicho esto, hoy simplemente vamos a dejar bien claros los dos postulados que establece Einstein para desarrollar su Teoría Especial. Son muy sencillos y, al principio, puede parecer que no tan diferentes de los de la física clásica, pero revolucionarían nuestro conocimiento del Universo:

Todos los sistemas de referencia inerciales son equivalentes.

La velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma, independientemente de quién la emita y quién la mida.

La grandeza de la TRE es la cantidad ingente de información que extrae de estos simples postulados. Puede parecer increíble, pero la equivalencia entre masa y energía, la dilatación del tiempo, la contracción de las longitudes… todo se deduce de manera relativamente sencilla de estas dos simples premisas.

Ahí está el verdadero genio de Einstein —sin un laboratorio ni complicados aparatos, simplemente con un lápiz, un papel y su cerebro, fue capaz de realizar predicciones que parecían una locura, como que un reloj que se moviera muy rápido marcaría las horas más despacio… y, una tras otra, todas se han verificado experimentalmente. Y todo a partir de esos dos postulados.

¿Qué quieren realmente decir?

El primero, si recuerdas la anterior entrada de esta serie, es prácticamente el de Galileo —sólo que Einstein lo hace absoluto: No hay manera posible de saber, con ningún experimento físico, si te estás moviendo a velocidad constante o bien estás quieto (eso es lo que es un «sistema de referencia inercial»).

A lo largo de esta serie vamos a realizar una serie de «experimentos mentales» para pensar acerca del Universo. En ellos voy a utilizar dos personajes, Ana y Alberto, que se encuentran en el vacío del espacio, lejos de cualquier objeto, solos en el espacio interestelar —veremos qué conclusiones extraen Alberto y Ana de lo que observan.

Lo que dice el primer postulado, en términos de «Ana y Alberto» es lo siguiente: Si Ana y Alberto notan que se mueven el uno respecto al otro, es absolutamente imposible que sepan si uno está parado y el otro no, o los dos se mueven. No sólo eso, la pregunta de si «uno está parado o se mueve con velocidad constante» no tiene ningún sentido, porque no hay un punto fijo y en reposo que está «parado» de manera absoluta.

De manera que todas las leyes físicas y los experimentos que Ana o Alberto puedan realizar deben ser consistentes con esto: no puede haber ningún experimento que Alberto realice, por ejemplo, y le haga decir, «¡Anda! Si pasa esto, quiere decir que no estoy parado». Lo que sí puede observar es que se mueve respecto a Ana —pero no puede ir más allá en su razonamiento.

El segundo postulado dice que si Ana o Alberto miden la velocidad de la luz, independientemente de su origen y de cómo se mueve cada uno, el resultado en el vacío va a ser siempre, segurísimo, 300 000 km/s. Éste postulado, en sí mismo, ya hace chirriar nuestra intuición. Piénsalo:

Si Alberto se mueve por el espacio hacia Ana a 200 000 km/s y apunta una linterna hacia ella, Alberto ve la luz alejarse de él a 300 000 km/s. Y Ana ve la luz acercarse a ella a 300 000 km/s. ¿Te das cuenta de lo raro que es, y de cómo extraeremos conclusiones muy anti-intuitivas de esta simple premisa? Imaginarse esa situación ya contradice nuestra intuición y nuestro cerebro (al menos el mío) ya suelta una alarma, «¡Paradoja! ¡Eso no tiene sentido!».

Ana y Alberto experimentan la relatividad. No, no la está matando con la linterna.

Por cierto, si has entendido el primer postulado y te pregunto: ¿Cuál de los dos tiene razón? ¿Alberto o Ana?, seguramente contestarás de manera correcta —los dos tienen «razón», y la pregunta no tiene sentido.

Ésta es una de las «revoluciones» de la teoría einsteniana respecto a las anteriores. De Einstein en adelante (mucho más aún con la cuántica, pero el punto de ruptura está aquí), la pregunta «¿Qué está pasando realmente?» carece de sentido. «¿Qué observa Ana?» tiene sentido, como lo tiene «¿Qué observa Alberto?» pero deja de ser posible hacer preguntas absolutas: la realidad se convierte en la observación por parte de alguien, y sin ese alguien no podemos hablar de realidad: la realidad es local para cada observador.

¿Por qué en nuestra vida cotidiana parece que hay una sola realidad y todos vemos las cosas igual? Porque la diferencia entre lo que percibimos unos y otros es tan pequeña (porque nuestra velocidad relativa de unos respecto a otros es tan minúscula) que vemos «casi lo mismo», y a ese «casi lo mismo» que observamos lo llamamos «realidad»… pero no hay tal cosa. Raro, ¿verdad?

En la próxima entrada atacaremos ya la primera de las conclusiones inmediatas de los postulados de Einstein —la llamada «dilatación del tiempo». Sin embargo, te recomiendo que releas esto un par de veces para «empaparte» de los postulados, para que cuando empecemos a extraer conclusiones tengas el punto de partida muy claro. Por supuesto, si tienes alguna duda no tengas problema en mandarnos un correo o escribir un comentario aquí.

Dilatación del Tiempo

Después de hablar de la situación de la física del movimiento y las ondas a principios del siglo XX y de los postulados de Einstein, en esta tercera entrada de la serie Relatividad sin fórmulas empezaremos a extraer conclusiones de los postulados. Si no has leído los artículos anteriores de la serie, te recomiendo encarecidamente que lo hagas o éste (y los posteriores) pueden resultarte incomprensibles. Además, no vamos a repetir las advertencias acerca del contenido de esta serie aquí —lee los artículos anteriores para saber qué esperar y qué no esperar de esta serie de entradas.

Hoy vamos a centrarnos en una consecuencia inmediata de los postulados de Einstein: lo que suele llamarse «dilatación del tiempo». Para ello, vamos a realizar un experimento mental en el que, por supuesto, van a participar Ana y Alberto, nuestros «observadores relativistas» ficticios.

Supongamos que Ana y Alberto se encuentran en el vacío del espacio, lejos de cualquier otro objeto, y que se mueven uno respecto al otro a velocidad constante. De acuerdo con los postulados que enunciamos en la entrada anterior, no tiene sentido preguntar si el que se mueve es Alberto y Ana está parada o es al revés. Simplemente, se mueven uno respecto al otro.

Por cierto, ten en cuenta una cosa: en la realidad, muchos sistemas de referencia no son inerciales (no se mueven a velocidad constante o están en reposo), de modo que sí se sabe quién se mueve. Si, por ejemplo, Ana empieza a acelerar hasta que se mueve a determinada velocidad respecto a Alberto, que nunca ha acelerado, lo que decimos sería cierto, pero entonces los dos sabrían que el que «tiene razón» es Alberto, pues es Ana la que ha empezado a moverse. El «no saber quién se mueve y quién no» sólo sirve si los dos sistemas son inerciales.

Lo que vamos a demostrar con este experimento mental es que, si aceptamos los dos postulados de Einstein, inevitable y lógicamente se deduce que Ana y Alberto no miden el tiempo igual.

En nuestro experimento, Ana tiene un reloj que funciona de la siguiente manera: consta de dos espejos paralelos separados una distancia determinada, y un rayo de luz que rebota de espejo en espejo indefinidamente. Cada vez que el rayo rebota en un espejo es un «tic» del reloj. Esto es lo que hace el reloj en el sistema de referencia de Ana:

Y puesto que la luz va a 300 000 km/s y la distancia entre los espejos es fija, todos los «tics» tardan el mismo tiempo. Pongamos que el rayo de luz recorre el espacio entre los espejos en 1 segundo. Entonces, los «tics» del reloj se repiten cada segundo.

Pero ahora fijémonos en lo que observa Alberto en su sistema de referencia. Para él, Ana se está moviendo. Supongamos que Alberto observa lo que le ocurre a Ana cuando ésta pasa justo delante de él, de modo que él la ve moverse «de izquierda a derecha». Lo que ve Alberto que hace el rayo de luz en el reloj no es lo mismo que ve Ana, pues los espejos se mueven. Alberto ve esto:

Y aquí está el núcleo del asunto —si entiendes lo que voy a decir, entiendes lo básico de la Teoría de la Relatividad Especial. Alberto ve que el rayo de luz recorre una distancia más grande que la que separa los espejos. Con lo cual sólo hay dos posibilidades: o el rayo viaja más rápido, o tarda más tiempo. Pero el rayo no puede ir más rápido: el segundo postulado dice que siempre va exactamente a 300 000 km/s… de modo que es inevitable: el rayo tarda más en ir de espejo a espejo.

Piensa sobre las consecuencias de este hecho: si el rayo tarda más en rebotar de espejo a espejo, en el sistema de referencia de Alberto, el reloj de Ana no hace «tic» cada segundo: va más lento.

Pero no es sólo el reloj —el reloj mide el tiempo… el tiempo de Ana, visto desde Alberto, está yendo más despacio: se «dilata». Puedes pensar que otros relojes que no utilizasen la luz siguieran al mismo ritmo de antes, pero entonces, ¿habría cosas que Alberto vería moverse a velocidad normal y otras no? Si, por ejemplo, Alberto y Ana se ponen de acuerdo para que Ana toque su nariz cada vez que el reloj hace «tic», ¿vería Alberto a Ana tocarse la nariz sin que el reloj hiciera «tic»?

Puedes verlo de otra manera: las interacciones entre las partículas que constituyen a Ana se producen a la velocidad de la luz. Si el tiempo del reloj va más lento porque la luz debe recorrer más distancia, lo mismo ocurre con todas las demás interacciones que se producen, es decir, no sólo el reloj, sino todo lo demás va más lento, incluída Ana y, por ejemplo, los latidos de su corazón.

Por supuesto, si Alberto tuviera un reloj igual que hace «tic» cada segundo en su sistema de referencia, Ana observaría que el reloj de Alberto hace «tic» más lento… y Alberto observaría que es el de Ana el que va más lento. ¿Quién tiene razón? Los dos… cada uno en su propio sistema de referencia. Como hemos dicho antes, si en un momento dado están quietos el uno respecto al otro y uno de ellos empieza a acelerar, el problema ya no es «simétrico».

Aunque no vamos a utilizar fórmulas, es fácil entender que, cuanto más rápido se mueva el otro sistema, más lento te parece a ti que pasa el tiempo para él, porque más distancia recorrería el rayo dentro del reloj. De hecho, piensa en el caso extremo: si Ana se estuviera moviendo a la velocidad de la luz… ¡el rayo del reloj nunca jamás podría alcanzar la otra pared! La pared se estaría moviendo a la misma velocidad que el rayo, de modo que el «tic» no se produciría jamás.

Si ocurriera esto, Alberto vería a Ana «congelada» en el tiempo: su corazón no latiría, el reloj no mediría el paso de un solo segundo… el tiempo se habría parado, para Ana, vista desde el sistema de referencia de Alberto. Esto es lo que le pasa a los fotones (las partículas que componen las radiaciones electromagnéticas como la luz): como se mueven a 300 000 km/s, vistas desde nuestro sistema de referencia no cambian jamás… el tiempo no pasa para ellos.

Pero al tiempo le suceden más cosas raras debido a la relatividad… por ejemplo, las cosas que suceden a la vez en un sistema de referencia pueden no ser simultáneas en otros. Éste aspecto será el que exploremos en la siguiente entrega de esta serie, Relatividad de la Simultaneidad.

Relatividad de la Simultaneidad

En esta tercera entrega de la serie Relatividad sin fórmulas, después del Preludio, los Postulados de Einstein y la dilatación del tiempo, nos centraremos en otro aspecto interesante de la teoría: lo que suele llamarse relatividad de la simultaneidad.

Si has entendido los artículos anteriores, ya eres consciente de que, si aceptamos los postulados de Einstein, el tiempo no es absoluto: lo que un observador mide es su tiempo, y otros observadores pueden medir tiempos diferentes del suyo si se mueven respecto a él. Pero una consecuencia interesante de la teoría es que no es ya la duración de un intervalo lo que varía de observador a observador: también lo hace el concepto de sucesos simultáneos.

Dicho de otra manera: no tiene sentido decir que dos cosas «ocurren a la vez». Podemos decir que yo veo dos sucesos ocurrir a la vez, pero no ir más allá. Tal vez yo sea el único que los vea ocurrir a la vez, y todos los demás observadores vean una cosa suceder antes que la otra.

¿Suena raro? Veamos cómo es, una vez más, una consecuencia lógica e inevitable de los postulados de Einstein (que supongo has leído y entendido; si no, vuelve a ese artículo antes de seguir leyendo).

Supongamos que Alberto y Ana, nuestros «observadores ficticios» se encuentran, como siempre, en el espacio y lejos de cualquier punto de referencia, y se mueven uno respecto al otro. Supongamos que Alberto está dentro de un cubo de cristal que se mueve con él por el espacio: Alberto se encuentra justo en el centro del cubo de cristal y tiene una bombilla en la mano. Y supongamos que en las dos paredes del cubo que están «delante» y «detrás» según el movimiento del cubo (visto desde Ana) hay dos espejos iguales.

Justo en el instante en el que el cubo (con Alberto en su centro) pasa por delante de Ana, Alberto enciende la bombilla. Pensemos en lo que cada uno de los dos ve que está pasando:

Alberto enciende la bombilla y ve la luz alejarse de ella en todas direcciones. Como Alberto ve el cubo en reposo, observa cómo la luz alcanza las paredes del cubo a la vez: los dos espejos, en un momento dado, brillan al reflejar la luz de la bombilla. Dibujo aclaratorio:

Pero ¿qué ve Ana? Recordemos que, en su sistema de referencia, Alberto y su cubo se mueven y pasan por delante de ella. En un momento dado, Alberto enciende la bombilla. Pero fijémonos en los dos rayos de luz que van, visto desde Ana, hacia «delante» y «atrás» en el movimiento del cubo:

El rayo que sale hacia delante tiene que «perseguir» a la pared y el espejo, que se están alejando de él. Pero el rayo que sale hacia atrás se encuentra con que la pared hacia la que se dirige se mueve hacia él. ¿Ves cómo no tienen que recorrer la misma distancia? Pero, por el segundo postulado de Einstein, ambos rayos se mueven respecto a Ana a la misma y exacta velocidad de 300 000 km/s, con lo que inevitablemente no tardan lo mismo en llegar a sus espejos.

Dicho de otra manera, en el sistema de referencia de Alberto ambos espejos reciben la luz al mismo tiempo, pero en el de Ana el espejo de «atrás» recibe la luz antes que el de «delante». Lo que es simultáneo en un sistema de referencia no lo es en el otro.

Sin embargo, como exploraremos más adelante, lo que siempre se cumple en todos los sistemas de referencia es la causalidad: es decir, si algo es la causa de otra cosa en un sistema de referencia (por ejemplo, Alberto enciende la bombilla y eso causa que los espejos brillen), ese algo siempre ocurre antes que su consecuencia en todos los sistemas de referencia. Fíjate que los brillos de los dos espejos no son uno causa del otro, de modo que pueden ocurrir a la vez en un sistema de referencia y no en otro.

Espero que la explicación no haya sido demasiado larga —como siempre, he tratado de razonar sin usar una sola fórmula matemática, lo cual hace los argumentos un poco más extensos. Si has disfrutado con esta entrada, no te pierdas la siguiente en la que obtendremos, una vez más simplemente usando la lógica, otra consecuencia interesante de la Teoría de la Relatividad Especial: la contracción de la longitud.

Contracción de la Longitud

Después de hablar sobre la situación de la física cuando surge la Teoría de la Relatividad Especial, los Postulados de Einstein, la dilatación del tiempo y la relatividad de la simultaneidad, en la entrega de hoy de la serie Relatividad sin fórmulas vamos a estudiar otra consecuencia lógica e inevitable de los postulados —la contracción de la longitud.

Si no has leído las entradas anteriores, deja este artículo y empieza desde el principio o probablemente no sepas cosas que damos por sentadas —de verdad, es mucho mejor que vayas por orden.

Espero que, como siempre, veas que esta conclusión, aparentemente «rara» es muy lógica si estás de acuerdo con las conclusiones que hemos extraído en entregas anteriores (y, por supuesto, considerando que los postulados son verdaderos, pues hemos obtenido todo a partir de ellos).

Volvamos a nuestros observadores ficticios en el espacio, Ana y Alberto. En el experimento mental de hoy, la situación es la siguiente: en el espacio hay una bombilla, una pantalla, Ana y Alberto. Alberto se mueve hacia el resto de los objetos, que están todos en reposo unos respecto a otros. De modo que Ana ve la bombilla y la pantalla en reposo, mientras que Alberto ve la bombilla y la pantalla (y a Ana) moviéndose hacia él.

Ahora bien, supongamos que en un momento dado la bombilla se enciende. Tanto Alberto como Ana verán que la pantalla recibe un rayo de luz en un momento determinado, y pueden medir la distancia entre la bombilla y la pantalla (puesto que saben la velocidad de la luz, que es siempre 300 000 km/s, y saben el tiempo que la luz ha tardado en llegar desde la bombilla a la pantalla).

Si has entendido el artículo anterior, sabes que no miden el mismo tiempo. Puesto que Alberto se mueve respecto a los demás, el tiempo que medirá él será más pequeño que el que transcurre para la bombilla, la pantalla y Ana, porque la pantalla se mueve hacia el rayo de luz en el sistema de referencia de Alberto. Pero si, por ejemplo, Ana mide 2 segundos y Alberto mide 1 segundo, la única manera de que las cosas tengan sentido es que Alberto vea que la luz no ha recorrido la misma distancia que ha visto Ana… ¡la bombilla y la pantalla, en su sistema de referencia, tienen que estar a la mitad de distancia!

Ambos, al realizar el experimento, ven que tiene sentido: Ana ve que la luz recorre una distancia en 2 segundos a 300 000 km/s, y Alberto ve que la luz recorre la mitad de distancia en la mitad de tiempo a 300 000 km/s. Para que todo encaje, al medir ambos tiempos diferentes y ser la velocidad de la luz la misma, las distancias deben ser diferentes.

Pero, al igual que Alberto, al moverse respecto a los otros objetos, ve todas las distancias en la dirección de su movimiento «achatadas», Ana ve a Alberto «achatado» en la dirección de su movimiento. Aquí el experimento no es simétrico, porque Ana sólo ve achatado a Alberto, mientras que él ve todos los otros objetos (y la distancia entre ellos, medida en su dirección de movimiento) achatados.

Otra manera de ver la contracción de la longitud es la siguiente:

Supongamos que Alberto va a ir de la Tierra a Plutón a una velocidad muy grande. El tiempo que él mide que dura el viaje es, como vimos en la entrada anterior, más pequeño que el tiempo que pasa para un observador situado, por ejemplo, en Plutón. Sin embargo, la velocidad de Alberto respecto al resto del Sistema Solar es la misma (Alberto ve a Plutón acercarse a la misma velocidad que Plutón ve acercarse a Alberto), de modo que la única solución a la aparente paradoja (de que Alberto crea que tarda menos de lo que debería) es que, cuando Alberto mira mientras se mueve, ve que la distancia entre la Tierra y Plutón es más corta que la que mide el observador situado en Plutón.

De hecho, si lo llevas al extremo, imagina que Alberto viaja al 99.99999% de la velocidad de la luz. De acuerdo con el artículo anterior, para Alberto habrá pasado un tiempo cortísimo en el viaje. Supongamos que el viaje dura, para él, 0.001 segundos mientras que el tiempo que dura medido desde Plutón es de 1 hora. Pero ¿cómo diablos es posible viajar de la Tierra a Plutón en sólo 0.001 segundos? Porque la distancia entre la Tierra y Plutón que ve Alberto mientras viaja es de sólo unos pocos metros.

Piénsalo, tiene sentido: es imposible aceptar que cambia la medición del tiempo entre dos sistemas de referencia y que no lo hace la medición de la longitud, cuando la velocidad (que es la relación entre el espacio recorrido y el tiempo empleado) es la misma en ambos sistemas de referencia, como lo es la de la luz por el segundo postulado. Es una consecuencia inevitable que las longitudes se contraigan si los tiempos se dilatan.

Por si te lo estás preguntando, sí: una partícula que viaja a la velocidad de la luz (como un fotón) ve el resto del Universo «achatado hasta el infinito»… no tiene grosor. Por eso, en su sistema de referencia, llega instantáneamente a todas partes y el tiempo no pasa para ella, porque no recorre ninguna distancia. Sin embargo, visto desde fuera, el tiempo sí pasa y la partícula sí recorre distancia. ¿Quién tiene razón? Ya sabes la respuesta.

De manera que, hasta ahora, hemos visto que cuando alguien se mueve respecto a ti, te parece que su tiempo va más despacio y que están «achatados». Sin embargo, les ocurren cosas todavía más raras, como veremos en la próxima entrega, aumento de masa, en la que veremos una de las razones por las que es imposible que un objeto material alcance la velocidad de la luz.

Aumento de Masa

En la serie de Relatividad sin fórmulas empezamos con la situación de la física cuando surge la Teoría de la Relatividad Especial, para luego seguir con los Postulados de Einstein, la dilatación del tiempo, la relatividad de la simultaneidad y, finalmente, la contracción de la longitud. Hoy continuamos la serie con otra consecuencia muy interesante de los postulados de Einstein —el aparente aumento de masa con la velocidad. Si no has leído las entradas anteriores, empieza desde el principio o vas a estar bastante perdido.

Bien, en primer lugar, una aclaración: estrictamente, lo que sucede cuando algo se mueve muy rápido es que su momento lineal (cantidad de movimiento) sigue una fórmula que no es la newtoniana sino la relativista. Sin embargo, esta fórmula es la misma que sería si usamos el concepto newtoniano de cantidad de movimiento pero la masa del objeto varía. Lo digo porque algún físico puede disgustarse oyéndonos hablar del «aumento de masa», pero como nadie en la vida normal trata con el momento lineal y sí con la masa, y el efecto es el mismo, prefiero seguir hablando de «masa relativista» y «aumento de masa», aunque no sea estrictamente correcto hablar en esos términos.

Dicho esto, si estás preparado y con la mente clara, empecemos a realizar nuestros experimentos mentales con Ana y Alberto, nuestros «observadores ficticios», para ver cómo extraemos conclusiones de lo que ven el uno y el otro cuando se mueven muy rápido uno respecto al otro. En el experimento de hoy, tanto Ana como Alberto tienen en las manos una bola de bolos cada uno (ambas idénticas).

Como en ocasiones anteriores, supongamos que Ana y Alberto se encuentran en el vacío, lejos de cualquier otro cuerpo, y que se mueven el uno respecto al otro a gran velocidad. Pongamos que se acercan el uno al otro en trayectorias paralelas como se muestra en el dibujo:

En un momento dado, ambos lanzan la bola que tienen en las manos perpendicularmente a la dirección de movimiento respecto al otro. Como cada uno de ellos ve moverse al otro (y se considera en reposo), lanza la bola perpendicularmente a la trayectoria del otro (perpendicularmente visto desde su sistema de referencia, oblícuamente visto por el otro). Y supongamos que ambos (que son muy listos) lanzan la bola en el momento justo para que choquen en el punto medio entre ambos cuando pasan uno junto al otro y les vuelva a las manos. Para que ocurra esto, deben lanzar la bola con la misma velocidad respecto de cada uno, de modo que todo sea simétrico:

Piensa que cada uno lanza la bola perpendicularmente al movimiento del otro, de modo que, en el dibujo, Ana y Alberto seguirían moviéndose uno hacia el otro y las bolas se moverían a su misma velocidad «horizontalmente» y a la vez hacia la trayectoria del otro, de modo que al final se tocasen, volvieran a bajar mientras siguen moviéndose horizontalmente al mismo ritmo que sus lanzadores y, al final, volvieran a las manos de uno y otro.

Pero analicemos lo que ve uno de los dos, por ejemplo, Ana. Lo que ella ve que hace su bola de bolos (considerándose a sí misma en reposo y a Alberto moviéndose en línea recta) es lo siguiente:

Su bola de bolos ha sido lanzada a una velocidad (la que sea) perpendicularmente a la trayectoria de Alberto. La bola de Alberto, por otro lado, va en una dirección oblicua: tiene una velocidad hacia la izquierda que es la de Alberto, y otra hacia abajo que es la que Alberto le ha dado. (Por cierto, el dibujo no es muy bueno pero la bola de Alberto debería ir hacia la izquierda al mismo ritmo que él, no por delante).

Pero cuando Ana mira a Alberto y su bola, todo pasa más despacio. Si recuerdas la entrada acerca de la dilatación del tiempo, cuando Ana mire la bola de Alberto bajar, la bola irá más despacio que en el sistema de referencia de Alberto, porque el tiempo de Alberto (y su bola, que se mueve hacia la izquierda a su misma velocidad) es más lento que el de Ana. De modo que, en el sistema de referencia de Ana, la bola de Alberto baja más despacio de lo que sube la suya propia.

Fíjate en lo que sucede en la colisión entre ambas bolas: Ana ve la suya subir rápido y la de Alberto bajar despacio, y a ambas bolas chocar, y luego su propia bola bajar y la de Alberto subir, volviendo por donde vinieron con las mismas velocidades que tenían.

Pero, si recuerdas cómo funcionan los choques elásticos, piensa un momento: dos bolas de billar chocan la una contra la otra. Una bola va, por ejemplo, el doble de rápido que la otra pero, sin embargo, después de chocar se vuelven a ir cada una a la misma velocidad a la que vino. La única posibilidad es que la bola que iba la mitad de rápido tiene el doble de masa, de modo que compensa la diferencia de velocidad y al final ambas vuelven igual que vinieron.

Dicho de otra manera: si dos bolas iguales chocan y una va más rápido que la otra, «gana» la que va más rápido. De igual manera, si una bola es más pesada que otra y ambas van igual de rápido, «gana» la más pesada. Pero si una va más lenta que la otra y ninguna «gana», es que la lenta tiene más masa que la ligera.

Es decir: visto desde Ana, la bola de Alberto baja a la mitad de velocidad que la suya pero, como tiene el doble de masa, al chocar cada una se vuelve como vino. Por supuesto, visto desde Alberto es la bola de Ana la que tiene el doble de masa y va a la mitad de velocidad…

La consecuencia más importante de este hecho es la siguiente: supongamos que, una vez han intercambiado las bolas, Alberto decide ir muy, muy rápido, y empieza a acelerar. Lo que vería Ana sería lo siguiente:

Alberto empieza a ir más rápido. Supongamos que iba a una velocidad de 200 000 km/s y acelera hasta 210 000 km/s. Ana verá que el tiempo de Alberto, que ya iba más lento que el suyo, es ahora más lento aún. Además, vería que Alberto se achata en la dirección del movimiento y que su masa aumenta. Hasta aquí, ningún problema.

Pero digamos que Alberto sigue acelerando, y pasa de 210 000 km/s a 220 000 km/s. Ana lo verá aún más «en cámara lenta», y más contraído, pero lo importante en lo que concierne a este artículo: Alberto debe haber gastado más energía para acelerar de 210 000 a 220 000 km/s que lo que gastó para pasar de 200 000 km/s a 210 000 km/s. ¿Por qué? Porque a 210 000 km/s su masa es más grande que a 200 000 km/s, de modo que le cuesta más acelerar. El efecto se hace más y más extremo hasta que el aumento de masa se hace infinito cuando la velocidad se acerca a la de la luz.

Por ejemplo, imagina que gastas cierta cantidad de energía para acelerar de 250 000 km/s a 280 000 km/s. Si vuelves a gastar la misma energía, aceleras menos: sólo llegas a 289 000 km/s. Y si vuelves a gastar la misma energía, llegas a 293 000 km/s. Si lo sigues haciendo, cada vez que gastas la misma energía aceleras un poco menos: 295 000 km/s, 296 000 km/s… de modo que nunca, jamás, podrías alcanzar la velocidad de la luz.

De hecho, da igual con qué energía empieces acelerando el primer tramo: cuanto más aceleres al principio, mayor será tu masa, de modo que más te costará acelerar… al final, la energía total para poder alcanzar la velocidad de la luz es infinita. De manera que, para cualquier cuerpo material, es imposible lograrlo.

Ésta idea de que cuando aumenta tu energía (por ejemplo, tu energía cinética al acelerar) aumenta tu masa, es decir, la equivalencia de masa y energía, tiene su expresión más famosa en la fórmula E = mc² que seguramente has visto en camisetas.

Espero que la cabeza no te dé vueltas y estés ansioso por continuar —lo haremos, en la próxima entrega, con la adición de velocidades.

Adición de Velocidades

Iniciamos esta serie de Relatividad sin fórmulas hablando de la situación de la Física cuando Einstein entra en escena, para luego discutir sus Postulados, la dilatación del tiempo, la relatividad de la simultaneidad, la contracción de la longitud y el aumento de masa. Continuamos hoy con otra consecuencia de la Teoría que va contra nuestra intuición: la adición de velocidades.

Ésta entrada es bastante abstracta; además, ten en cuenta que, sin utilizar fórmulas, no puedo demostrar resultados exactos. Recuerda que el objetivo de esta serie no es convencerte de que los efectos relativistas tienen un valor u otro, sino que las cosas «raras» que ocurren en relatividad son una consecuencia necesaria de los postulados de Einstein.

En primer lugar, si has entendido las entradas anteriores, espero que veas inmediatamente que la suma de velocidades «intuitiva» (newtoniana) es absolutamente incompatible con la relatividad.

La teoría clásica (newtoniana), que es la que damos por sentado intuitivamente, dice lo siguiente: supongamos que nuestros observadores, Ana y Alberto, se encuentran, como siempre, en el espacio, lejos de cualquier punto de referencia e influencia exterior. Y supongamos que Alberto se aleja de Ana a 200 000 km/s, y que tiene una naranja en la mano.

En un momento dado, Alberto lanza la naranja hacia delante con lo que a él le parecen 200 000 km/s. Si preguntamos a Newton, ¿qué velocidad mide Ana que tiene la naranja? su respuesta sería, indudablemente, 400 000 km/s: los 200 000 de la naranja alejándose de Alberto más los 200 000 de Alberto alejándose de Ana.

De hecho, supongamos que Alberto tiene una linterna en la mano y la apunta en sentido contrario a Ana. Según Newton, puesto que la luz de la linterna respecto a Alberto es de 300 000 km/s, Ana vería a la luz alejarse de ella a 500 000 km/s.

Tanto la primera como la segunda conclusión son total y absolutamente incompatibles con todo lo que hemos obtenido hasta ahora a partir de los postulados de Einstein: la primera haría que, en el sistema de referencia de Ana, la naranja tuviera más velocidad que la luz, lo cual vimos que es imposible en la entrada anterior; la segunda haría que un observador (Ana) midiera una velocidad de la luz distinta de 300 000 km/s, lo cual contradice el segundo postulado.

De modo que la idea intuitiva de, simplemente, sumar las velocidades, es falsa si aceptamos los postulados de Einstein. Y, por supuesto, la clave de la cuestión está en cómo podemos comparar lo que ve cada uno cuando sus conceptos de tiempo, distancia y simultaneidad son diferentes.

Aquí es donde ampliamos nuestro estudio de qué le ocurre al tiempo de un observador que se mueve respecto a otro. En la entrada acerca de la dilatación del tiempo ya pusimos de manifiesto el «ralentizamiento» que mide un observador cuando algo se mueve rápido respecto a él. Pero en ese caso, si recuerdas, el rayo de luz que iba de espejo a espejo se movía perpendicularmente a la dirección de movimiento de un observador respecto a otro, y justo cuando un observador pasaba junto al otro, y esto es importante.

Veamos hoy qué le ocurre al tiempo cuando un observador se aleja directamente del otro, porque ocurren cosas aún más raras: vamos a hablar del efecto Doppler.

Supongamos que Ana y Alberto realizan el siguiente experimento: Alberto se aleja de Ana a 150 000 km/s y lanza una naranja hacia delante con lo que a él parecen 150 000 km/s. Como hemos dicho antes, es seguro que Ana no mide una velocidad de la naranja respecto a ella de 300 000 km/s, sino más pequeña, porque si no se incumplen los postulados.

La cuestión aquí es: ¿cómo puede Alberto comunicar a Ana la velocidad de la naranja respecto a sí mismo? Al tener en cuenta la relatividad debemos, como en el caso del reloj de espejos, especificar cómo se transmite la información.

Supongamos que Alberto tiene una linterna. Cada segundo, lanza un destello de linterna hacia Ana, para que ella sepa cómo está pasando el tiempo para él. Si Alberto se mueve a 150 000 km/s, Ana no va a ver un destello cada segundo. ¿Por qué? Porque cada destello que lanza Alberto va a tener que recorrer una distancia mayor que el anterior.

Si no tenemos en cuenta efectos relativistas, esto significa que cada destello (que se produce cada segundo) tiene que recorrer 150 000 km más que el anterior (la distancia que Alberto se mueve en un segundo), de modo que tarda 0.5 segundos «de más» respecto al anterior. De modo que Ana observa destellos, no cada segundo, sino cada 1.5 segundos. Éste ralentizamiento se denomina efecto Doppler, y es lo que hace que cuando oyes la sirena de una ambulancia que se aleja de ti, parece más grave (porque el sonido tiene una frecuencia menor), y al revés si se acerca a ti.

En mecánica newtoniana no importa, porque el tiempo es el que es (el mismo) para todos los observadores, pero en mecánica relativista sí: los observadores deben comunicarse unos a otros el tiempo que están midiendo. Ana y Alberto no miden el tiempo al mismo ritmo —Ana recibe la información ralentizada, de modo que cualquier cosa que mida Alberto (por ejemplo, la velocidad de la naranja) va a ser diferente para Ana.

Además, hay que tener en cuenta la dilatación del tiempo de la que ya hablamos, que hace que Ana vea a Alberto aún más ralentizado: de hecho, cuando Alberto se aleja de Ana, el ralentizamiento del tiempo que ve ella es aún mayor que cuando se mueve perpendicularmente (cuando pasa por delante de ella). No vamos a entrar en fórmulas, pero Ana vería los destellos de Alberto cada 1.73 segundos. De manera que, cuanto más rápido vaya Alberto, más diferentes son las medidas de la velocidad de la naranja para uno y otro.

Y además de eso, hay que tener en cuenta la contracción de la longitud: cuando Alberto lanza la naranja, él ve que recorre una determinada distancia, pero Ana ve que recorre una distancia más pequeña, porque cualquier medida de longitud del sistema de referencia de Alberto ella la ve «achatada».

De hecho, si Alberto se mueve muy cerca de la velocidad de la luz, aunque mida una velocidad muy grande para la naranja respecto a sí mismo, Ana medirá una velocidad mucho más pequeña, porque el tiempo de Alberto para ella estará pasando muy, muy despacio y la distancia que ha recorrido la naranja es muy, muy corta, de modo que la velocidad de la naranja respecto a ella nunca alcance la de la luz.

Dicho de otra manera: si Alberto se aleja de Ana a una velocidad muy parecida a la de la luz y lanza una naranja en la dirección de su movimiento respecto a Ana, como todo lo que mide Alberto está en cámara súper-lenta para Ana y además la longitud que ha recorrido la naranja es más pequeña respecto a ella por la contracción de la longitud, la naranja (vista desde Ana) se aleja de Alberto muy, muy lentamente. Tan lentamente que, al sumar la velocidad de Alberto respecto a ella y de la naranja respecto a Alberto, es más pequeña que la de la luz.

Pero aquí hay algo más interesante: ¿qué pasa si Alberto se está acercando a Ana en vez de alejarse? Entonces, el efecto Doppler se invierte: como cada destello de luz tiene que recorrer menos distancia que el anterior, Ana ve los destellos más cerca unos de otros (sin tener en cuenta la dilatación del tiempo, sería cada 0.5 segundos)…¡el tiempo de Alberto pasa más deprisa! También hay que tener en cuenta la dilatación del tiempo, por supuesto, de modo que Ana vería los destellos, considerando el efecto Doppler relativista, cada 0.577 segundos.

Esto es algo que a veces no se menciona, y la gente piensa que el tiempo aparente de un sistema que se mueve respecto a ti es siempre más lento (de hecho, yo no lo mencioné en el primer artículo para no liar las cosas, de ahí que el movimiento de los rayos fuera perpendicular al movimiento de los observadores). Pero su tiempo va más rápido cuando se acerca a ti, y más lento cuando se aleja de ti; aunque en ambos casos la dilatación del tiempo se aplica (fíjate que los destellos que ve Ana son cada 1.73 en vez de 1.5 segundos, y cada 0.577 en vez de cada 0.5 segundos). Hay que tener en cuenta ambas cosas: la dilatación del tiempo «básica» y el efecto Doppler relativista.

Podrías pensar que esto hace que si Alberto se mueve hacia Ana muy rápido (de modo que ella vea el tiempo de Alberto muy «acelerado») y él lanza la naranja hacia ella muy rápido, la velocidad de la naranja respecto a Ana será mayor que la de la luz. Sin embargo (sin usar fórmulas), los efectos de dilatación del tiempo y de contracción de la longitud son suficientes para que esto no llegue a pasar.

Tendrás que creerme si te digo que, teniendo en cuenta el efecto Doppler relativista, un objeto que se mueve a la velocidad de la luz se mueve a esa velocidad respecto a cualquier observador, y que no es posible que un objeto que no se mueve a la velocidad de la luz en un sistema de referencia lo haga en cualquier otro. No vamos a dar aquí la fórmula relativista de adición de velocidades, pero básicamente cuanto más rápido se mueve un observador respecto a otro, más diferentes son las medidas de velocidad de ambos de manera que, al final, no se rompe la velocidad de la luz.

En la próxima entrada de la serie, si aún no te da vueltas la cabeza, empezaremos a atacar algunas de las «paradojas relativistas». De hecho, lo haremos con una relativamente sencilla, la del corredor y el granero, antes de estudiar una bastante más compleja (la de los gemelos).

Paradoja del Corredor

Iniciamos la serie de Relatividad sin fórmulas en esta entrada. No voy a recordar todas las demás porque, francamente, si llegado a este punto no las has leído, deberías hacer click en el enlace y empezar desde el principio. No tiene sentido que empecemos a discutir aparentes paradojas que se deducen de la Teoría de la Relatividad Especial si no estamos en la misma onda respecto a la teoría.

Vamos a dedicar un par de entradas a dos paradojas muy conocidas, una relativamente sencilla y otra más compleja. Espero que veas que las «paradojas relativistas» lo son por parecer absurdas, pero no son realmente absurdas: parece que hay algo que no encaja, pero todo tiene perfecto sentido si se mira con cuidado. El problema es, como siempre, que nuestra intuición se ha desarrollado en un mundo de cosas que se mueven despacio, de modo que lo que nos parece «evidente» es evidente si las cosas no van muy rápido.

La primera paradoja que discutiremos es la llamada del palo y el granero, de la escalera y el granero, del corredor y con otros nombres, todas ellas básicamente la misma «paradoja». Por supuesto, nosotros utilizaremos a Alberto y Ana para describir la situación. Veremos si, en primer lugar, ves la paradoja, y si en segundo lugar puedo convencerte de que, realmente, todo encaja.

1. La paradoja del palo y el granero

Supongamos que Alberto y Ana, nuestros observadores relativistas, están en una granja en la que hay un granero de base cuadrada de diez metros de lado. El granero tiene dos puertas, una en una pared y otra en la pared opuesta. Ana se encuentra en reposo junto al granero, que tiene una puerta abierta y la otra cerrada.

Aparece Alberto, que lleva en las manos un palo de diez metros de longitud y corre hacia la puerta abierta del granero a una velocidad de, por ejemplo, 240 000 km/s. ¡Alberto es un pedazo de atleta! Veamos que es lo que observa cada uno de ellos con dibujos. Lo que ve Ana, que está en reposo respecto al granero y ve a Alberto moverse, es que el granero tiene diez metros de largo (normal), y que Alberto lleva en las manos un palo más corto de diez metros, debido a la contracción de la longitud. Pongamos que, en el sistema de referencia de Ana, el palo mide seis metros. Ella vería esto:

Pero Alberto, por supuesto, no ve lo mismo. Su palo, cuando lo mira, mide diez metros, pues está en reposo respecto a él. Es el granero el que es más corto…al estar moviéndose hacia Alberto a 240 000 km/s, de puerta a puerta Alberto no ve 10 metros, sino que ve 6 metros (la misma contracción de longitud que Ana ve en el palo). Esto es lo que ve él:

Pero Ana, que no se cree la Teoría de la Relatividad Especial, opina que la contracción de la longitud es una ilusión óptica. De modo que decide comprobarla: va a encerrar a Alberto en el granero, para ver si realmente cabe dentro. Puesto que lo que ella ve es que el palo mide seis metros y el granero diez, no debería haber ningún problema.

Ana instala un automatismo en las puertas que hace lo siguiente: en cuanto el extremo de atrás del palo de Alberto entre en el granero, la puerta trasera se cerrará (de modo que, en ese instante, ambas puertas están cerradas con Alberto dentro), e inmediatamente la puerta de salida se abrirá, dando tiempo de que el extremo anterior del palo salga del granero sin problemas (el texto es un poco difícil de leer pero sólo repite lo que estamos diciendo fuera de la imagen):

De esta manera, Ana comprobará que, efectivamente, el palo es más pequeño que el granero y cabe dentro, sin que el experimento altere la velocidad de Alberto: el palo pasa por ambas puertas sin encontrar obstáculos.

Pero ¿qué vería Alberto? La paradoja consiste en lo siguiente: si en el sistema de referencia de Alberto el palo mide 10 metros y el granero 6, cuando las puertas estén cerradas, es imposible que el palo quepa en el granero. En el sistema de referencia de Alberto, debería pegarse un morrazo con la puerta de salida, porque como la parte de atrás del palo no habrá superado la puerta de entrada cuando la parte de delante llegue a la puerta de salida, esta segunda puerta estará cerrada. ¿Cómo es esto posible?

Antes de leer la explicación, piensa un par de minutos. Si has entendido esta serie hasta ahora, no espero que tengas la solución exacta, pero ya deberías oler más o menos por dónde van los tiros. Una vez lo hayas pensado un rato, sigue leyendo.

2. La explicación relativista

Si has entendido los anteriores artículos de la serie, aunque no sepas exactamente qué está pasando, probablemente te hueles que tiene que ver con el tiempo: para empezar, lo que Ana ve simultáneo Alberto puede no verlo a la vez. Si has pensado algo así, enhorabuena, porque entiendes el fundamento de la solución.

En efecto, Ana ve las dos puertas cerradas en un instante de tiempo, porque el granero está en reposo respecto a ella. Pero puesto que Alberto se mueve respecto al granero, el tiempo no pasa igual para él. Si recuerdas la entrada de relatividad de la simultaneidad, entiendes de qué manera.

En el sistema de referencia de Alberto, los sucesos de la pared de delante del granero se producen antes que en el de Ana, porque un rayo de luz que sale de ese lugar va hacia Alberto y Alberto hacia él. Pero, por el contrario, un suceso en la pared por la que Alberto entra en el granero está «retrasado», porque un rayo de luz que salga de esa pared del granero tiene que perseguir a Alberto, que se aleja de la pared.

De modo que Alberto ve las cosas pasar antes de tiempo en la puerta de salida, y después de tiempo en la puerta de entrada. No vamos a entrar en exactamente cuánto tiempo hay de diferencia, pero fíjate en lo rara que es la conclusión: si Ana ve las dos puertas cerradas al mismo tiempo, y la segunda puerta abrirse inmediatamente después de que se cierre la primera, Alberto verá la puerta de salida abrirse antes de que se cierre la primera. Es decir: Alberto nunca ve las dos puertas cerradas.

Esto es lo que ve Alberto, teniendo en cuenta la relatividad:

De manera que, en su sistema de referencia, todo tiene sentido. Sí, su palo es más largo que el granero, pero no hay problema, porque antes de que el extremo anterior del palo alcance la puerta de salida, ésta se ha abierto. Y cuando la puerta de entrada se cierra, el extremo posterior del palo ya ha superado la puerta hace un tiempo.

Es extraño, pero si recuerdas la entrada sobre la relatividad de la simultaneidad verás que es exactamente lo mismo. ¿Quién tiene razón? Los dos. Desde luego, Ana ha comprobado que la contracción de la longitud no es una ilusión óptica: en un momento determinado, Alberto está completamente dentro del granero y corriendo a casi la velocidad de la luz, sin tocar ninguna pared.

En la próxima entrada, una paradoja aún más rara: la de los gemelos.

Paradoja de los Gemelos

Iniciamos la serie de Relatividad sin fórmulas en esta entrada. No tiene sentido que leas este artículo sin antes leer los conceptos básicos de la serie, o no te servirá de mucho.

En la entrada anterior hablamos de una de las dos paradojas más conocidas de la relatividad general: la del corredor o del palo y el granero. Hoy vamos a hablar de otra más compleja pero más interesante, la de los gemelos. Para entenderla, espero que te quedase clara la entrada acerca de la adición de velocidades, pues hay conceptos importantes en ese artículo que aplicaremos aquí.

1. La paradoja de los gemelos

La paradoja, básicamente, es la siguiente: supongamos que hay dos gemelos idénticos. Uno de ellos decide hacer un viaje hasta el planeta (digamos) Einstenon, que está a 10 años-luz de la Tierra, y viaja a una velocidad muy grande (digamos que el 87% de la velocidad de la luz). Entonces, visto desde la Tierra, el tiempo del gemelo viajero pasa muy lentamente, de modo que, al volver, en vez de haber pasado muchos años, para él han pasado pocos y es joven, mientras que el gemelo que se quedó en la Tierra es viejo.

Pero, visto desde el sistema de referencia del gemelo viajero, es el gemelo que se queda en la Tierra el que se mueve, de modo que para él pasa el tiempo más lentamente y es él el que debería ser joven cuando vuelven a encontrarse. Cuando se miran a la cara, ¿cuál es joven y cuál es viejo? Está muy bien decir «en cada sistema de referencia, el otro es joven y yo soy viejo», pero ¿qué pasa, que cada uno le dice al otro «te veo muy joven»?

2. La explicación relativista

Para explicar lo que está pasando realmente, utilizaremos, por supuesto, a Alberto y Ana en vez de a dos gemelos desconocidos. Ana decide hacer un viaje a Einstenon, que está a 10 años-luz de la Tierra, viajando al 87% de la velocidad de la luz. De modo que tenemos dos observadores: Alberto, que está en la Tierra y no se mueve de ella, en reposo respecto a todo lo demás excepto Ana. Y Ana, que se mueve de la Tierra hacia Einstenon en el viaje de ida, y luego se da media vuelta y vuelve de Einstenon a la Tierra.

Alberto y Ana tienen, ambos, relojes que emiten un destello luminoso cada segundo, para que Alberto pueda ver cómo pasa el tiempo de Ana y al revés.

Veamos en primer lugar lo que experimenta Ana. Para ella, la distancia entre Einstenon y la Tierra no es de 10 años-luz, es de 5 años-luz debido a la contracción de la longitud. De modo que ella, que se mueve al 87% de la velocidad de la luz, debe recorrer 5 años-luz de distancia de ida (lo cual le lleva unos 5,77 años) y lo mismo de vuelta (otros 5,77 años más o menos), de modo que el viaje total, para ella, dura 11,55 años.

Sin embargo, cuando ella mira hacia Alberto según se aleja de él, como dijimos en el artículo de adición de velocidades, el efecto Doppler relativista hace que los destellos del reloj de Alberto sean más lentos (por un lado, Alberto se mueve de modo que Ana lo ve «en cámara lenta», como dijimos en la dilatación del tiempo y, por otro, los rayos de luz deben perseguir a Ana). De hecho, como Ana va a una velocidad bastante parecida a la de la luz, los destellos del reloj de Alberto se producen cada 3,73 segundos.

Por lo tanto, cuando Ana llega hasta Einstenon, aunque ella ha experimentado un tiempo de viaje de 5,77 años, el reloj de Alberto ha marcado 3,73 veces menos: unos 1,55 años. Pero, sin embargo, cuando Ana se da la vuelta en Einstenon y empieza a moverse hacia la Tierra, ve los destellos de Alberto acelerados, justo por lo contrario que antes: ahora ella se mueve hacia la fuente de la luz, de modo que cada destello debe recorrer menos que el anterior. Ahora, los destellos de Alberto son 3,73 veces más rápidos en vez de más lentos: se producen cada 0,27 segundos. De modo que, durante el viaje de vuelta, Ana ve a Alberto «en cámara rápida», de modo que en vez de pasar 5,77 años, para él pasan 21,55 años.

Lo que ve Ana en el viaje de ida, el cambio de sentido y el viaje de vuelta.

Es decir, Ana hace cuentas y piensa: mi reloj ha marcado 5,77 años de ida y otros 5,77 años de vuelta, es decir, el viaje ha durado para mí 11,55 años (redondeando). El reloj de Alberto ha marcado 1,55 años en el viaje de ida y 21,55 años en el de vuelta, es decir, para Alberto han pasado 23,1 años.

Por otro lado, ¿qué ve Alberto? Él ve que Ana se aleja de él al 87% de la velocidad de la luz y debe recorrer 10 años-luz, de modo que tarda en llegar a Einstenon unos 11,55 años. Y en el viaje de vuelta tarda otros 11,55 años, es decir, que para Alberto el viaje dura un total de 23,1 años.

Pero ¿qué observa Alberto que pasa para Ana? En el viaje de ida, Ana se aleja de él, de modo que Alberto la ve «en cámara lenta»: los destellos de Ana le llegan cada 3,73 segundos. Llegamos aquí a la clave de la paradoja, de modo que frena y lee esto despacio, porque si lo entiendes has entendido la paradoja de los gemelos:

Aunque Ana se da la vuelta al llegar a Einstenon (a los 11,55 años de partir, para Alberto), Alberto no ve inmediatamente que los destellos de Ana se aceleren. Ana se da la vuelta, y a partir de entonces sus destellos, efectivamente, se mueven hacia Alberto y están «acelerados»… ¡pero esto ha ocurrido a 10 años-luz de Alberto! Él no ve el cambio instantáneamente: sólo verá el cambio cuando el primer destello enviado cuando Ana se da la vuelta le llegue a él… lo cual no ocurre hasta 10 años después de que Ana dé la vuelta: como está a 10 años-luz, el primer destello tarda 10 años en llegar a Alberto. Todos los demás destellos «ralentizados» que aún no le han llegado en el momento en el que Ana se da la vuelta, aún tienen que llegar a Alberto hasta que el primer destello «acelerado» le llegue.

De modo que Alberto no ve el tiempo de Ana «ralentizado» durante 11,55 años, sino durante 21,55 años (11,55 hasta que Ana se da la vuelta más otros 10 hasta que el primer destello «acelerado» le llega). En ese tiempo, como Ana va «en cámara lenta», para ella habrán pasado, no 21,55 años sino 3,73 veces menos: sólo unos 5,77 años. A partir de ese momento, Alberto ve a Ana en «cámara rápida»… pero sólo la ve así durante un tiempo muy corto. Piensa que, como el primer rayo «acelerado» llega a Alberto 10 años después de que ella se diera la vuelta y en esos 10 años ella ha estado viajando hacia la Tierra (y el viaje de vuelta dura, para Alberto, 11,55 años), cuando Alberto empieza a verla «acelerada» ella está a tan sólo 1,55 años de la Tierra.

Lo que ve Alberto en el viaje de ida de Ana, el cambio de sentido y el viaje de vuelta.

Ésos 1,55 años que dura la última parte del viaje, Alberto ve a Ana lanzando destellos 3,73 veces más rápidos de lo normal, de modo que para ella pasan unos 5,77 años. De modo que Alberto echa cuentas y piensa: el viaje de Ana ha durado en total 11,55 años de ida y otros 11,55 de vuelta, en total, para mí han pasado 23,1 años. Y para Ana ha durado 5,77 años «ralentizada» y otros 5,77 «acelerada», en total, para ella han pasado 11,55 años…exactamente lo mismo que ha medido ella. ¡Todo encaja!

Para que no queden dudas, repetiré dónde está la explicación de la paradoja: Alberto está en reposo respecto a los dos planetas, y es Ana la que se da la vuelta. Ana ve el reloj de Alberto ir lento durante la mitad del tiempo, y rápido durante la otra mitad, pero Alberto no: para que él empiece a ver el reloj de Ana rápido, los rayos del reloj en el momento de que ella se dé la vuelta deben alcanzarlo, y para entonces ella ya ha recorrido parte del camino de vuelta, de modo que al final no hay duda por parte de ninguno de los dos de que ella es más joven que él.

Espero que la paradoja no haya resultado más liosa de lo que realmente es —no es fácil de explicar sin fórmulas y, de hecho, he leído muy pocas explicaciones intuitivas de por qué se produce que vayan más allá de «Ana no es un sistema inercial porque se da la vuelta en un momento determinado». La cuestión está en que la relatividad, realmente, encaja— simplemente hay que tener en cuenta todos los «efectos raros» que produce.

En la próxima entrada, la relatividad en la realidad. ¡No nos estamos inventando fórmulas vacuas, la relatividad existe y se ha comprobado!

La Relatividad en la Realidad

Una vez hemos recorrido el camino que nos llevó desde el Preludio de la Teoría Especial de la Relatividad hasta la Paradoja de los gemelos, pasando por los efectos relativistas más conocidos, vamos a concluir la parte principal de esta serie hablando de algunos experimentos que demuestran que la Teoría Especial no es una «ilusión» ni un invento matemático —la relatividad existe.

Por cierto, recuerda que esta serie habla acerca de la Teoría de la Relatividad Especial, no General, de modo que no vamos a hablar en este artículo de la curvatura de la luz al pasar cerca del Sol ni nada parecido.

En primer lugar, el punto más débil de toda teoría son sus puntos de partida: en este caso, los dos postulados de Einstein (si no los recuerdas puedes refrescar la memoria aquí). Los físicos han realizado muchísimos experimentos tratando de cerciorarse de que, por un lado, es imposible distinguir un sistema inercial de otro y, por otro lado, la velocidad de la luz es siempre la misma.

Todos los experimentos realizados son congruentes con los postulados de Einstein: por un lado, no se ha descubierto ningún experimento físico que pueda diferenciar un sistema inercial de otro. Respecto a la constancia de la velocidad de la luz, se han hecho una miríada de experimentos (el primero de todos, el de Michelson y Morley que mencionamos al iniciar la serie): se ha medido la velocidad de la luz que nos llega de estrellas que se acercan a nosotros, que se alejan de nosotros y que no se mueven demasiado ni en un sentido ni en otro. Se ha medido la luz de una fuente que se mueve a gran velocidad, desde un observador que se mueve hacia la fuente y que se aleja de ella…en todos los casos, la velocidad de la luz ha resultado ser la misma (dentro del error inherente a las medidas de los experimentos, pero es un error muy pequeño). De modo que parece que los postulados se cumplen.

Respecto a los efectos anti-intuitivos de los que hemos hablado, se han observado experimentalmente casi todos. Por ejemplo, en el artículo reciente sobre el muón ya mencionamos una de las pruebas más evidentes: los muones tienen una vida media de unos 2 microsegundos. A la velocidad a la que bajan de las capas altas de la atmósfera, deberían recorrer más o menos 600 metros y, sin embargo, recorren más de 10 kilómetros y tardan unas veinte veces más en desintegrarse de lo que deberían. Sin embargo, si se tiene en cuenta la dilatación del tiempo (los muones bajan muy, muy rápido) los números encajan perfectamente con los datos observados. Por supuesto, si se tienen muones que se mueven muy despacio, se desintegran en el tiempo esperado (sus dos microsegundos).

También se ha comprobado con relojes estacionarios y en movimiento. Desde luego, no podemos acelerar relojes a las velocidades que llevan, por ejemplo, los muones, de modo que el reloj que se mueve no marca un tiempo 20 veces más lento, pero utilizando relojes atómicos muy precisos sí se observan diferencias de tiempo del orden de nanosegundos: el reloj que se mueve va más lento. Desde luego, introduciendo la velocidad relativa de ambos relojes los números encajan en las fórmulas einstenianas.

La contracción de la longitud, que yo sepa, no se ha medido, pues los objetos que se han acelerado a grandes velocidades suelen ser partículas subatómicas. Sin embargo, cuando se mira, por ejemplo, el experimento de los muones, si se acepta que su vida media en su propio sistema de referencia es de 2 microsegundos y que ven a la Tierra acercarse a la misma velocidad que nosotros los vemos a ellos acercarse al suelo, la distancia que recorren en su propio sistema de referencia debe necesariamente ser más corta que la que medimos nosotros. Desde luego, esto no es una prueba directa sino una deducción.

Respecto al aumento aparente de masa, es muy evidente a grandes velocidades: cuando, en los aceleradores de partículas, los físicos llevan (por ejemplo) un electrón a una velocidad próxima a la de la luz y luego miden su masa (haciendo que choque con algo), las predicciones de la teoría de Einstein se cumplen a la perfección: el electrón empuja las cosas con un momento lineal mucho más grande del que Newton hubiera predicho. La masa aumenta.

No sólo eso —en los aceleradores de partículas pueden llevarse dos partículas de masa 1 unidad (es un ejemplo, da igual la masa que tengan) a una velocidad enorme y hacerlas chocar. El resultado es (por ejemplo) otra partícula más pesada que las dos anteriores. Hasta ahí, todo encaja. Sin embargo, resulta que la masa de la partícula que se obtiene no es 2 sino más grande… por ejemplo, 2,1. ¿Cómo diablos puede explicarse eso con la mecánica newtoniana? Sin embargo, la teoría relativista lo explica perfectamente mediante la equivalencia entre masa y energía. Parte de la enorme energía cinética de las dos partículas iniciales se ha convertido en masa de la partícula resultante.

También se comprueba el caso contrario todos los días en las centrales nucleares de fisión: cuando se produce la desintegración radiactiva de los isótopos del uranio, la masa total de las partículas que se obtienen es más pequeña que la de las originales… pero si se tiene en cuenta la energía desprendida en forma de radiación y se usa la famosa fórmula de equivalencia (E = m·c²), todo encaja a la perfección.

En resumen —puede que la Teoría de la Relatividad Especial resulte anti-intuitiva. Hay mucha gente que se resiste con uñas y dientes a aceptar que es una realidad, y se agarra a cosas como que «parece que el tiempo es diferente» o que «es una ilusión». Sin embargo, no es un invento filosófico o matemático, sino una necesidad teórica para explicar fenómenos, como los descritos en este artículo, que se observan en el Universo. Todos esos experimentos son coherentes: el tiempo no es absoluto, la velocidad de la luz sí lo es, la masa y la longitud varían con la velocidad, la masa y la energía se convierten la una en la otra…la relatividad es una realidad.

Esto no quiere decir que sea la realidad última: puede que, en el futuro, la refinemos y se convierta en un caso especial de una teoría más amplia (como sucede con la Especial dentro de la Relatividad General), pero de lo que estamos tan seguros como podemos estar es de que no es una ilusión y que los efectos que describe son reales. Además, las fórmulas que se derivan de los postulados producen resultados totalmente coherentes con los experimentos, de modo que ¿qué más se le puede pedir a una teoría física?

Por otro lado, aunque hoy en día tengamos todo este equipaje experimental para apoyar la teoría, espero que seas consciente de que Albert Einstein dedujo todos esos efectos y fórmulas sin un solo experimento —sólo pensando con un papel y un lápiz. Y que, en su momento, él no podía decir (como hago yo aquí) «Bien, puede no convencerte mi argumento, pero es que lo que estoy diciendo no es una opinión, ¡se ha comprobado que la masa y la energía son equivalentes!». Hoy lo tenemos muy fácil…

Con este artículo finaliza la parte principal de esta serie (que ampliaremos algún día a la Relatividad General). Espero que hayas disfrutado tanto leyendo la serie como yo escribiéndola —aunque tengo que decir que es la que más esfuerzo me ha supuesto de todo lo escrito en El Tamiz hasta ahora—, y que después de leerla tengas una idea más clara de qué es y por qué es lógica la Teoría Especial de la Relatividad.

Si hay interés, podemos dedicar un artículo (o dos) a responder «preguntas frecuentes». De modo que, si tienes flecos o preguntas pendientes sobre el asunto, escribe un correo electrónico (recuerda, pedro@eltamiz.com). Elegiré los más representativos e interesantes y, si hay suficientes, artículo al canto (si no hay muchos o no son suficientemente interesantes, los trataré de contestar por correo). Prefiero dejar los comentarios de este artículo para hablar sobre este artículo en concreto, no de la serie, de ahí que os pida que lo hagáis por correo. También podéis hacerlo en el foro, ya que he abierto un hilo específico para la serie.

Por cierto, he creado una categoría (Relatividad sin fórmulas) para tener todos los artículos agrupados de forma que sean una referencia más fácil de encontrar.

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