La teoría de la relatividad especial

La teoría especial de la relatividad se construye sobre dos principios. El primero establece que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia no acelerados, es decir, son las mismas para observadores que se desplacen libremente con movimiento uniforme. El segundo establece que la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal y no puede ser superada.

Veamos con un ejemplo la diferencia que suponen estos principios con la mecánica clásica. Imaginemos dos individuos, uno en un coche a gran velocidad y otro que lo espera, parado, en el arcén de la carretera. Cuando el primero llega a la altura del segundo, ambos accionarán simultáneamente un mecanismo que lanzará dos pelotas de golf con idéntica fuerza hacia delante, una desde el coche en movimiento y la otra desde el arcén. ¿Llevarán las dos la misma velocidad? ¿Cuál de ellas alcanzará antes un punto de referencia situado más adelante? Nadie dudará que la respuesta a la primera cuestión es no; la pelota lanzada desde el coche alcanzará una mayor velocidad que la disparada desde el arcén y llegará al punto de referencia en primer lugar.

Imaginemos ahora que en lugar de lanzar dos pelotas, cuando el coche pasa a la altura del individuo, ambos encienden simultáneamente un foco y se emiten dos haces de luz hacia adelante. ¿Cuál llegará antes al punto de referencia? Si aplicamos la lógica anterior, llegaría antes el emitido desde el coche. Sin embargo, según demostró Einstein, la realidad sería que llegarían los dos a la vez; la velocidad de la luz, a diferencia de la de las pelotas, es independiente de la velocidad con la que se mueve el emisor y tiene un valor constante, 300.000 km/s.

Einstein dedujo a partir de los dos principios anteriores que tanto el tiempo como el espacio no son magnitudes absolutas, sino que su valor depende de la velocidad relativa con la que mueven un objeto y el observador. De ahí el nombre de relatividad.

Las consecuencias son sorprendentes. Si pensamos en la velocidad como un cociente entre el espacio (la distancia) y el tiempo, para que aquella permanezca constante sea cual sea el movimiento del sujeto, espacio y tiempo han de modificarse a la vez. Una persona que en un sistema de referencia observase una nave espacial que viajase próxima a la velocidad de la luz, percibiría que el tiempo transcurre más lentamente en la nave y que ésta aparece contraída en la dirección del movimiento.

En efecto, en un objeto que se mueva con respecto a nosotros a una velocidad próxima a la de la luz, los relojes se retrasarían con respecto a los nuestros. La paradoja de los gemelos describe perfectamente este fenómeno. Supongamos dos hermanos gemelos, uno de los cuales es astronauta y va a viajar en una nave espacial a una velocidad cercana a la de luz durante varios años, mientras que el otro va a permanecer en la Tierra. Cuando concluyese el viaje ambos comprobarían con sorpresa que el hermano que se ha quedado en la Tierra ha envejecido más que el astronauta, que permanece más joven. Si la nave hubiese viajado a 0.8 veces la velocidad de la luz, mientras que para el hermano que se ha quedado en la Tierra habrían transcurrido diez años para el astronauta solo habrían pasado seis.

Otro extraño efecto de la relatividad especial es la contracción del espacio. Si pudiesemos observar a una nave espacial desplazarse a una velocidad próxima a la de la luz observaríamos como la nave parecería más corta en la dirección en la que mueve. Los tripulantes de la nave, sin embargo, no verían acortarse las estancias o los objetos de la nave y sí la realidad externa.

A una velocidad próxima a la de la luz el transbordador espacial se observaría tanto más corto cuanto mayor fuese su velocidad; el tiempo también transcurriría más lentamente (foto NASA).

Tal y como propone la teoría de Einstein, la dilatación del tiempo y la contracción del espacio ocurren a velocidades muy altas y no serían apreciables en nuestros desplazamientos cotidianos. No tenemos motivos para preocuparnos por esos efectos relativistas: a nuestras velocidades y para nuestros cálculos tanto el tiempo como el espacio pueden seguir siendo considerados como magnitudes absolutas.