El camino hacia la relatividad especial

El camino hacia la relatividad especial
El descubrimiento de la teoría de la relatividad especial no fue solo obra de Einstein, ni su comprensión algo de su exclusiva participación. De hecho, a la formulación final de la teoría bien podría haber llegado algún otro físico de principios del siglo XX.
   Los estudios sobre sistemas relativistas estaban ya muy avanzados en la primera década de 1900. Tanto el matemático Henri Poincaré como el físico teórico Hendrik Lorentz ya disponían en 1905 de todos los elementos de la relatividad especial antes de que Einstein presentara su teoría, y mostraban tan excelente comprensión de la electrodinámica de los cuerpos en movimiento que les podía haber llevado a la formulación de la teoría. De hecho, tanto en algunas formulaciones de Lorentz de 1904, como en dos trabajos de Poincaré publicados en 1905, ya aparecían prácticamente todas las fórmulas matemáticas del artículo donde Einstein presentó la relatividad especial. Pero ni se atrevieron a abandonar el concepto de éter ni llevaron a sus últimas consecuencias el principio de relatividad [1].
   El inicio del camino hacia la relatividad especial hay que buscarlo en las denominadas transformaciones de Galileo. Las ecuaciones que describen el movimiento de los objetos que están en el interior de un sistema que a su vez está moviéndose, son diferentes a las ecuaciones que describen el movimiento de los objetos que se mueven dentro de un sistema que está en reposo. Las transformaciones de Galileo no son más que un conjunto muy sencillo de ecuaciones que permiten mantener invariantes (es decir, iguales) las ecuaciones del movimiento cuando se aplican a un sistema que está desplazándose con movimiento uniforme con respecto a otro sistema que se encuentra en reposo.
   Más tarde, en 1865, el científico James Clerk Maxwell publicó Una teoría dinámica del campo electromagnético, donde demostraba que tanto la luz como las perturbaciones eléctricas y magnéticas se propagaban como una onda, y que lo hacían con una velocidad cercana a los 300.000 km/s.
   Pero las ecuaciones de Maxwell presentaban un problema. Cuando se aplicaban las transformaciones de Galileo a las ecuaciones, surgían contradicciones que hacía inviable su aplicación. Para resolver esta situación, en 1904 Lorentz propuso un nuevo conjunto de ecuaciones, conocidas más tarde como transformaciones de Lorentz. Corregían las transformaciones de Galileo, de modo que podían ser aplicadas a las ecuaciones de Maxwell sin que apareciesen incoherencias.
   Por otro lado, estaba la cuestión de la propagación de las ondas. A finales del siglo XIX no se entendía la propagación de una onda si no era como consecuencia de la difusión de una deformación en el medio sobre el que se propagaba la onda, al estilo de cómo se propagan las olas de agua en un estanque. Debido a su naturaleza ondulatoria, la luz no escapaba a esta idea, lo que obligaba a postular la existencia de un substrato, al que se denominaba éter, cuya perturbación permitiría la propagación de las ondas lumínicas. Las leyes de la mecánica de Galileo-Newton establecían que las velocidades son relativas al observador, algo que por entonces se pensaba también debía ocurrir con la luz. Sin embargo, de las ecuaciones de Maxwell se extraía la conclusión ineludible de que la velocidad de la luz era siempre constante. Este problema se intentaba salvar alegando que su valor constante era aplicable solo con respecto a un supuesto espacio absoluto (el éter), y no con respecto a los observadores del rayo luminoso.
   Pero los científicos se enfrentaban a un problema experimental que era difícil encajar con esta hipótesis. Todos los intentos de demostrar la existencia del éter resultaban en fracaso. Es en este contexto en el que se sitúa el célebre experimento de Albert Michelson y Edward Morley de 1887, que fracasó en la búsqueda de este supuesto éter. Además, el experimento indicaba que la velocidad de la luz se mantenía siempre constante, con independencia del movimiento del observador.
   Como una manera de dar respuesta a todos los experimentos negativos que pretendían demostrar la existencia del éter, entre 1892 y 1895 Lorentz introdujo la hipótesis de la contracción de las longitudes en la dirección del movimiento, en el marco de un éter absolutamente inmóvil.
   A pesar de que todos los intentos de demostrar su existencia resultaban infructuosos, el éter seguía estando ahí. Y seguiría estándolo hasta el año 1905, en que Einstein acabaría definitivamente con la idea de los sistemas de referencia absolutos, desechando por innecesaria la idea del éter [2].
   Existía por tanto un problema en la física que había que resolver. Se hacía necesario encontrar la forma de compatibilizar las leyes del movimiento de Galileo-Newton con dos realidades: 1) Con la realidad experimental que implicaba el hecho de que la velocidad de la luz parecía independiente del movimiento del observador, como Michelson y Morley habían demostrado; y 2) Con la determinación teórica del valor constante para la velocidad de la luz que se deducía de las leyes de Maxwell.
   Parecía por tanto que había que rechazar alguna de las dos formulaciones, bien la de Maxwell, bien la de Galileo-Newton. En su artículo de 1905 Sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento Einstein enfrentó este problema. Pero lo hizo de una manera diferente a como se había realizado anteriormente. Partió considerando constante la velocidad de la luz para todo observador (en reposo o en movimiento) en cualquier sistema de referencia y extendió los trabajos previos de Lorentz, basados en la cinemática exclusivamente de los cuerpos cargados eléctricamente, a cualquier sistema físico, estuviese o no cargado.
   Así, el trabajo de Einstein sobre la relatividad especial quedó cimentado en dos consideraciones básicas:
   1) Que no existe ni un espacio ni un tiempo absolutos. Tampoco un referente en reposo que permita pensar que un observador concreto pueda ocupar un lugar privilegiado en el universo. Con independencia de dónde se encuentre un observador, las leyes físicas adoptarán la misma forma en todos los sistemas con movimiento uniforme, que además, son indistinguibles entre ellos.
   2) Que la velocidad de la luz que mide un observador es siempre la misma, con independencia de la velocidad a la que se desplacen el observador o la fuente de la luz.
   Con su trabajo, Einstein revolucionó la idea que se tenía del tiempo. A partir de ahora dejaría de ser una realidad de carácter absoluto para depender de la velocidad con que un observador se mueve con respecto a otro. Acabó definitivamente con la hipótesis de la existencia del éter, al no desempeñar ningún papel en la nueva concepción del universo que se deducía de su nueva teoría. Y consiguió compatibilizar definitivamente los dos paradigmas hasta entonces incompatibles, el de Maxwell y el de Galileo-Newton, en lo que vino a denominarse relatividad especial.

 

Referencias
[1] Según la afirmación de FitzGerald y Lorentz, si A en reposo observa a B en movimiento, comprobará que las medidas longitudinales de B se acortan. Pero solo Einstein se atrevió a afirmar que para B las medidas de A también se acortaban. La idea general era que B observaría que las medidas de A eran mayores que las suyas.
[2] Sellés, M. (1984). En torno a la génesis de la teoría especial de la relatividad. Madrid: CSIC. Instituto Arnau de Vilanova.

 

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