Consecuencias de la teoría especial de la relatividad

Consecuencias: la materia como cristalización de la energía

       La teoría especial de la relatividad, estrictamente hablando, no requiere una comprobación experimental, pues está demostrada a priori. Es decir, los experimentos ya estaban hechos, incluso Lorentz había desarrollado una serie de transformaciones (incluyendo el concepto de «tiempo local») para explicarlos, aunque únicamente como hipótesis de trabajo. No obstante, Einstein da una explicación teórica a estos fenómenos, y esto tiene consecuencias e implicaciones en innumerables ámbitos de la ciencia moderna (en todo aquello que viaje cerca de la velocidad de la luz).

       La consecuencia más clara de esta teoría hace referencia a la materia y la energía de los cuerpos. El principio de conservaci’on de la energ’ia se mantiene: «el principio de conservación de la energía debe mantenerse, según el principio de la relatividad, incluso en relación a ambos sistemas de coordenadas» (TK). Pero la energía de los cuerpos depende, en parte, de su energía cinética, la cual depende de su velocidad (E_c=½mv²), y esta es relativa a los distintos sistemas de coordenadas, disminuyendo en aquel en el que la velocidad sea mayor: «la energía cinética del cuerpo en relación a [… el sistema de coordenadas en movimiento respecto a uno en reposo] disminuye a consecuencia de la emisión de luz» (TK). Esto implica que, para que se mantenga esta equivalencia, la masa se ve modificada en función de la velocidad, ya que «la masa de un cuerpo es una medida de la energía en él contenida» (TK).

       Por lo tanto, la energía contenida en un cuerpo se manifiesta como parte de su masa, es decir, masa y energía son dos estados distintos de la misma realidad, siendo la materia una suerte de cristalización de la energía o, dicho de otra forma, la masa es una propiedad de la energía: «la energía que porta un sistema de cuerpos puede ser tomada como una medida de su energía» (RT: I, 15), lo que queda recogido en la fórmula E=mc². Así, los eternos principios de lo pasivo y lo activo, de la materia y la energía, quedan unificados bajo esta teoría.

       Gracias a esta consecuencia de la teoría de la relatividad especial se pueden explicar las características de los electrones y de partículas subatómicas, ya que los propios átomos pesan menos que la suma de sus partes, pues parte de esta masa se expresa como energía (en el caso de los quarks, los constituyentes de los átomos, la diferencia de masa en su estado separado puede ser de 2.000 o 3.000 veces superior a la que tienen formando parte de un átomo):

      «si uno acepta que los estados relativos de la masa eléctrica constituida del electrón no cambian con el movimiento del electrón […] se obtienen unas leyes del movimiento del electrón que no concuerdan con la experiencia» (RT: I, 16).

       Y lo mismo ocurre con los tiempos de desintegración. En el caso anterior del observador en el tren, este puede ser un problema menor y sin importancia, pero… ¿y si en lugar de un observador sobre un tren moviéndose a unos pocos kilómetros por hora tenemos dos partículas subatómicas viajando en el Gran Colisionador de Hadrones? Entonces los efectos de la teoría de la relatividad comienzan a ser más relevantes (en los estudios sobre partículas subatómicas, por ejemplo, la teoría especial de la relatividad se usa de manera rutinaria). Si una determinada partícula que se mueve al 90% de la velocidad de la luz tiene una vida media de un segundo (es decir, cada segundo se desintegra la mitad de las partículas de una muestra), un observador externo verá que la mitad de las partículas se desintegran cada dos o tres segundos (desde la perspectiva en reposo).

       Otra consecuencia de esta teoría es fundamental para la astronomía. Si queremos observar objetos muy distantes, los cuales son los primeros que se formaron en el universo, tenemos que tener en cuenta que la luz que de ellos proviene ha estado viajando durante billones de años a través de un espacio en extensión, por lo que la luz que llega de estos objetos se ha desplazado tanto hacia el rojo, que ni siquiera es luz visible. De hecho, la luz de una infinidad de estrellas y galaxias llega hasta nuestra bóveda celeste, pero no podemos observarla porque es luz infrarroja. Por eso el James Webb Space Telescope, el próximo gran telescopio espacial, está diseñado para detectar luz infrarroja.

       Y, en general, implica que hay que reformular el concepto de simultaneidad. Si queremos medir dos fenómenos y compararlos, tenemos que tener en cuenta la simultaneidad, es decir, la característica que comparten dos fenómenos que ocurren a la vez. Pero esta no es igual para distintos sistemas de referencia. Imaginemos que caen dos truenos a cierta distancia (la misma para los dos) de la estación de tren estática respecto a un observador. Si este ve que los truenos caen a la vez, considerará que son simultáneos, pero para eso tiene que llegarle la luz emitida por dichos rayos desde donde caen hasta el observador, lo cual tarda cierto tiempo (aunque en este ejemplo pueda ser mínimo). Ahora bien, ¿serán simultáneos estos dos fenómenos para el observador que se sitúa en el interior del tren en movimiento? Si este tren se mueve hacia uno de los rayos (B) y se aleja del otro (A), la luz de B llegará antes que la de A, y dado que la velocidad de la luz es siempre la misma, el observador situado dentro del tren juzgará que el rayo en B se ha producido antes que el rayo en A. Y la cuestión es que ambos tienen razón, en función de su perspectiva. Es decir, dos eventos son simultáneos para una referencia determinada, pero no para otra.

       «en verdad este se mueve (juzgado desde la estación fija) hacia el rayo de luz que proviene de B, mientras que se aleja al que proviene de A. El observador verá antes el rayo que sale de B que el que parte de A […] Los resultados que en relación a la estación fija son simultáneos, no lo son respecto al tren, y viceversa (lo que es la relatividad de la simultaneidad)» (RT, I: 9).

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Citas:

TK: Albert Einstein. Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? 1905.

RT: P, C – Albert Einstein. Sobre la teoría especial y general de la relatividad. 1986. Parte, Capítulo.