Viajes en el tiempo y otros fenómenos: la teoría de la relatividad

Juan Isidro Menéndez14 septiembre, 2020

Cuando afirmamos que la realidad supera a la ficción, probablemente nos estemos quedando cortos. La ciencia ficción es un género que dota de un trasfondo verosímil a la historia bajo el amparo de la ciencia. Por ello, la ficción siempre va a la cola de esta, pues es la que brinda la materia prima necesaria para la creación de un universo imaginario. Desde los viajes en el tiempo de Regreso al futuro a la biotecnología de Jurassic Park, todas las franquicias de ciencia ficción aplican en mayor o menor medida teorías ya existentes en la comunidad científica.

¿Podrá el ser humano construir naves espaciales capaces de superar la velocidad de la luz? ¿Es posible viajar al pasado? ¿Y al futuro? Quizás un emblemático físico alemán del siglo XX pueda arrojar algo de luz sobre estas incógnitas.

La llegada de Einstein

Las leyes de Isaac Newton conformaban el grueso de la física clásica, resolviendo la mayoría de las incógnitas planteadas sobre el movimiento de los cuerpos en el espacio. Pero, en 1905, un joven Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad especial, planteando un cambio en el paradigma de la física con una repercusión tal que las ecuaciones de Newton se vieron ensombrecidas (que no sustituidas) por las del físico alemán. Al final de sus días Einstein escribió: «Newton, perdóname; tú encontraste el único camino que en tu tiempo era posible para el hombre del pensamiento más agudo y de la fuerza creadora más grande».

El nuevo canon de Einstein, simplificadamente, supone el cambio del tiempo y el espacio de realidades absolutas a relativas y en el caso de la velocidad de la luz, se convierte en el nuevo absoluto. Decimos que una dimensión es relativa cuando no existe un método absoluto que nos permita medir y afirmar que nuestros resultados son los correctos. Para realizar una medición necesitamos un sistema de referencia con el cual hacer una comparativa. Un periodo de tiempo, al igual que ocurre con un volumen o una longitud, solo es mesurable comparándolo con otro. El lapso utilizado para realizar la medida puede estar predeterminado como ocurre con el segundo, unidad de tiempo en el Sistema Internacional de Unidades. Si el sistema de referencia cambia en la misma proporción que nuestro objeto de medición, el cambio no es perceptible. Si todos los sistemas de referencia posibles cambian en igual proporción, no tendría sentido afirmar que el cambio haya tenido lugar. Así pues, si todo el universo se invierte o crece y no existe por tanto experimento alguno que pueda percibir dicho fenómeno, ¿podemos hablar de inversión o crecimiento?

Pese a que coloquialmente nos referimos a la obra de Einstein como teoría de la relatividad a secas, existen dos teorías a diferenciar: la teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, y la teoría de la relatividad general, en 1916. La segunda es una ampliación de la primera, limitada a los movimientos uniformes. La relatividad general incluye en su marco teórico los movimientos uniformes y los acelerados. En este artículo nos ceñiremos a la relatividad especial.

Teoría de la relatividad especial (1905)

La premisa fundamental se resume en la imposibilidad de medir el movimiento uniforme de ninguna manera absoluta. La complejidad de la materia reside en el escepticismo que causa, pareciendo un imposible cuando no un absurdo. Probemos con el siguiente ejemplo: si viajamos en un tren que circula con un movimiento uniforme, es decir, en línea recta, sin aceleración y por tanto a velocidad constante y sin un sistema de referencia, no podemos asegurar movimiento alguno. Obviando vibraciones por el traqueteo de las vías o cualquier otro estímulo, en ausencia de un objeto que podamos observar por la ventana, no percibiremos movimiento. Pero ni siquiera al ver los edificios alejarse podemos afirmar que es el tren el que se mueve y no los edificios con respecto al tren. Es incluso viable asumir que el tren está en reposo mientras el suelo se mueve bajo sus ruedas. Es en este ataque a nuestra concepción habitual del movimiento, el cual se posiciona en contra de nuestra percepción instintiva de la realidad, donde encontramos la dificultad para comprender la teoría de Einstein.

Como último ejemplo, planteemos los tres casos siguientes, los cuales acontecen en un cosmos vacío:

Un vehículo A sigue un movimiento uniforme y un vehículo B está en reposo.
Un vehículo B sigue un movimiento uniforme y un vehículo A está en reposo.
Ambos vehículos siguen un movimiento uniforme en direcciones opuestas.

¿Existe alguna forma para que los hipotéticos pasajeros determinen cuál de los casos es el verdadero o absoluto? La respuesta es no. No existe un movimiento uniforme absoluto, solo un movimiento uniforme relativo entre los vehículos. La respuesta que demos variará en función del sistema de referencia escogido, es decir, desde donde realicemos la observación. Eso es todo.

De igual modo, el tiempo es relativo. Aprovechando esta premisa y sin entrar en detalles, comentaremos un fenómeno que sin duda será curioso para el lector primerizo en estas materias: la dilatación temporal. Si un astronauta viajara a la velocidad de la luz (c), su reloj se detendría mientras que el tiempo transcurre normalmente en el exterior. De acuerdo con la teoría especial, no podemos afirmar que observador (el astronauta dentro de la nave o cualquier individuo fuera de esta) calcula el tiempo correctamente, pues este no es absoluto. La paradoja de los gemelos es el ejemplo más conocido para explicar los efectos de la dilatación temporal:

Dos gemelos nacidos en la Tierra poseen una sincronización perfecta de sus relojes biológicos. En la adultez, uno de ellos inicia un viaje espacial, en el cual su nave adquiere una velocidad cercana a la de la luz. El gemelo que espera en la tierra observa que el viaje de su hermano dura veinte años. Sin embargo, el astronauta percibe que el trayecto le ha supuesto solo dos meses. Al reencontrarse, el gemelo terrestre ha envejecido veinte años y el astronauta dos meses.

Este fenómeno trae consigo la posibilidad teórica (que no práctica) de viajar en el tiempo hacia el futuro.

La velocidad de la luz como límite absoluto

¿Cuál es el motivo de que la velocidad de la luz no sea superable? Para explicar este fenómeno debemos tener en consideración tres variables: velocidad, masa y fuerza.

Un cuerpo se desplaza a una velocidad equis que queremos incrementar al máximo posible. Para aumentar la velocidad, es necesario aplicar una fuerza que vendrá determinada por la masa del cuerpo y la velocidad que queramos alcanzar. La masa es entendida como la cantidad de materia que contiene un cuerpo, pero también es la resistencia a modificar el estado de movimiento de un cuerpo cuando se le aplica una fuerza.

Cuanto mayor es la masa y la velocidad, mayor es la fuerza que debemos aplicar para continuar aumentando la velocidad de desplazamiento. Conforme la velocidad del cuerpo aumenta, su longitud se reduce y su masa relativista se incrementa. Este fenómeno es conocido como contracción de Lorentz, efecto relativista que explica la contracción de la longitud de un cuerpo conforme su velocidad se aproxima a la de la luz. La fuerza necesaria para continuar el movimiento acelerado aumenta y cuando se alcanza (hipotéticamente) la velocidad de la luz c, el objeto se contrae adquiriendo una longitud cero de masa infinita. Un objeto de masa infinita necesita de una fuerza infinita para moverse, lo cual es imposible.

Para concluir, ¿qué diferencia a la luz del resto? ¿Por qué puede alcanzar tal velocidad? La diferencia radica en su composición, pues hablamos de una radiación electromagnética formada por fotones, de masa invariable cero. Una masa cero no requiere de fuerza para su movimiento, motivo por el que los fotones se desplazan a una velocidad constante c.

La ciencia es resultado y precursora de la creatividad humana, pues sólo con ella se hipotetizan las teorías científicas que traerán consigo los universos infinitos que tan exitosamente han calado en nosotros a través de la cultura cinematográfica o novelesca. La Física puede resultar particularmente intimidante por su complejidad, pero es fuente de muchas respuestas para aquel que quiera buscar: «la mente es como un paracaídas, solo funciona si la tenemos abierta» (Albert Einstein).