E= mc2 La teoria especial de la relatividad

O las personas saben todo o no saben nada esa es una afirmación absoluta, claro está que no es cierta puesto que no todos podemos saberlo todo, pero tampoco estamos ante una completa ignorancia. Todos somos ignorantes,solo que sobre distintas cosas. En realidad no es difícil concebir que todo es relativo dependiendo de la perspectiva con que se le mire. No existe una sola verdad, decían los Sofistas, sino varias de ellas. Esta afirmación fue cierta durante siglos, hasta que en 1905 un joven de 26 años, publicó una teoría donde se demostraba que existe algo absoluto, y por el contrario, factores que hasta el momento se presumían absolutas - como el espacio y el tiempo - variaban de acuerdo al entorno y ciertas condicionales. El joven Albert aseguraba entonces que la velocidad de la luz es absoluta en el espacio vacio, y que el espacio y el tiempo son relativos.

Pero ¿cómo esto puede ser posible? el tiempo siempre avanza y el espacio es inalterable ¿Cómo los segundos pueden hacerse más lentos y mi habitación más pequeña? ESO ES IMPOSIBLE. Esto es la conclusión lógica al estar en una perspectiva de velocidades conocidas, pero no a velocidades como el de la luz. Cuando el universo se concibe en estas velocidades, la relatividad empiece a jugar su rol bordeando los limites de la lógica de acuerdo a la concepción humana, desafiando incluso el sentido común.

Antes de Einstein existían dos grandes teorías que gobernaban la física y el entendimiento del universo. La primera era la mecánica clásica, propuesta por distintos pensadores desde Aristóteles hasta Galileo, unificada y posteriormente llamada la mecánica newtoniana. Parte de los postulados de Galileo ya contenían el concepto de relatividad. La velocidad depende del movimiento postulaba Galileo, un auto parecerá más lento para alguien que trata de alcanzarlo en otro automóvil que otro que esta observando en reposo en la calle. El movimiento solo tiene sentido con relación a otros objetos; cuando estamos en el bus, el horizonte parece que se está moviendo, pero todos sabemos que lo que se mueve es el bus. Dentro de este además pareciera que todos los ocupantes no se mueven pero para una persona fuera del medio de transporte todos se mueven junto a este; a su vez el bus se mueve con respecto a la carretera, y la ciudad que la contiene se encuentra en el planeta tierra que a su vez gira sobre su eje además de girar alrededor del sol, este alrededor de la galaxia y así sucesivamente. Conclusión lógica, no hay nada nada que podamos decir que esta en absoluto reposo, todo está relativamente en movimiento con respecto a otros cuerpos.

Veamos un ejemplo de ello:

Imaginemos que estamos sentados en un paradero del Metropolitano(en adelante metro), y vemos un metro avanzar a 50 km/h con respecto a ti. Imaginemos a un pasajero sentado, desde su perspectiva él estaría moviéndose a 0 km/h puesto que nos encontramos estacionados, pero para nosotros obviamente se mueve a 50 km/h precisamente porque se mueve junto al tren (se encuentra sentado en su interior). Supongamos ahora un segundo pasajero, dentro del mismo metro, se pone de pie y camina a la puerta de bajada a 10 km/h. ¿A qué velocidad se mueve con respecto al primero que estaba sentado dentro del metro? Fácil de decir, a 10 km/h, puesto que el metro y el pasajero sentado forman parte del mismo sistema. Pero ¿a qué velocidad se desplazaría con respecto a nosotros que estamos sentados en el paradero? De acuerdo a la mecánica clásica, como los dos se desplazan en el mismo sentido, la velocidad del que camina seria 50 + 10 es decir 60 km/h con respecto a nosotros. Por otro lado, si un tercer pasajero dentro del metro se pone de pie y camina a la izquierda a 15 km/h, este se moverá a 50 – 15 es decir a 35 km/h con respecto a nosotros. Veamos una situación mas compleja aunque no difícil de imaginar ¿Qué sucede si la persona del ejemplo anterior que camina hacia la izquierda saca una pelota y por fastidiar a su amigo lanza el mencionado objeto a 40 km/h dentro del metro? ¿A qué velocidad se moverá la pelota con respecto a nosotros? Bueno 50 (velocidad del metro) – 15 (velocidad del segundo pasajero) + 40 (velocidad de la pelota) = 75 km/h. La relatividad de galileo solo consiste en sumar o restar las velocidades de acuerdo a donde se muevan, es decir que las cosas parecerán moverse de acuerdo a la perspectiva del observador. Veamos mas detalladamente, qué pasaría si ahora hacemos el mismo razonamiento pero es el pasajero del metro el que desea medir nuestra velocidad. Para él somos nosotros los que se mueven y no él por lo que le parecerá que somos nosotros los que nos alejamos a 50 km/h (por su puesto que esto en la realidad esto no es así, todos sabemos que estamos estacionados, es solo un ejercicio lógico de acuerdo a las perspectivas). Para ser más formales en el mundo de la física se dice que cada observador tiene su propio sistema de referencia. En este preciso momento, nos encontramos en reposo con respecto al sistema referencial "Tierra", pero si alguien (imaginemos) nos observa desde la luna, nos encontramos desplazándonos a la velocidad que la tierra se mueve alrededor del sol (30 km/s). En conclusión, cada observador tiene su propio margen referencial y esto se cumple para todo en cualquier lugar del universo.

Esto estuvo vigente por mucho tiempo y fue reforzado por las matemáticas de Newton (gracias por el cálculo). Por 250 años, la mecánica de Sir Isaac Newton (en lo que a mi respecta una de los personajes mas brillantes de la historia) reinaron el mundo de la física, hasta que Albert Einstein a los 26 años de edad (coincidentemente la edad cuando Newton desarrolló el cálculo), se atrevió a contradecirlo
El buen Albert inició su teoría con dos postulados:

1.- La velocidad de la luz siempre es la misma en el vacío, sin importar la fuente y cualquier sistema referencial por la que se trate de medirla. (La velocidad de la luz en el vacio es de 299.792.458 m/s).

2.- No existe un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto. No existe un sistema referencial en reposo con el que se pueda medir el movimiento de todo lo demás. En otras palabras nada está en reposo absoluto. Y las leyes de la física se cumplen en todos los sistemas referenciales.

Como habrán podido notar, toda la comunidad científica de ese entonces estaba con una gran interrogante en sus mentes puesto que esto contradecía toda la mecánica newtoniana (incluso a Albert Einstein no se le brindó el premio novel por la presente teoría sino por la teoría llamada "El efecto fotoeléctrico", digamos que a los científicos encargados de revisar los trabajos candidatos del premio nobel les pareció muy teórica, difícil de entender y con muy pocas probabilidades de ser demostrada experimentalmente en ese entonces). Veamos un ejemplo.

Imaginemos que estamos de pie en una pista y lanzamos una pelota hacia adelante con una fuerza o velocidad por así decirlo determinada desde un punto específico, esta recorrerá una distancia de acuerdo a la velocidad con que la tiremos. Ahora, supongamos que vamos manejando una bicicleta y lanzamos la pelota con la misma velocidad desde el mismo punto determinado con que lanzamos la pelota en el primer ejemplo. En este caso, la pelota recorrerá una distancia mayor, puesto que la velocidad de la pelota, en base a la fuerza que aplicamos, se sumara a la velocidad de la bicicleta en movimiento. La diferencia es evidente, la pelota viajare mucho más rápido y más lejos cuando la lanzamos desde una bicicleta en movimiento.

Pero ahora vamos a poner a la luz a esa prueba bajo los postulados del buen Albert. Supongamos que por alguna razón podemos medir la velocidad de la luz (ejercicio lógico). Imaginemos que estamos en el mismo punto, y en nuestra bicicleta colocamos una linterna hacia adelante, posteriormente la encendemos y marcamos cuanta distancia recorre en un breve momento, digamos que lo hará a una distancia determinada, la luz recorrerá esta distancia en un espacio de tiempo determinado a su velocidad y no a otra. Ahora intregremos el ejemplo de la luz al de la pelota mencionada con anterioridad, encendamos la luz mientras que estamos avanzando a una velocidad determinada desde el mismo punto en que la encendimos en el experimento anterior y observamos la distancia recorrida en el mismo tiempo determinado. Lo lógico es pensar lo siguiente: dado que la bicicleta esta en movimiento, la segunda vez la luz viajara a una mayor distancia puesto que su velocidad se sumara a la velocidad de la bicicleta, por eso recorrerá una mayor distancia en el tiempo determinado. Bueno, Einstein dijo que la lógica y Newton estaban equivocados; de acuerdo a este, en el segundo experimento la luz recorrerá exactamente la misma distancia que en el primer supuesto por que la velocidad de la luz es siempre constante independientemente del movimiento de la fuente. La luz de las galaxias, de las estrellas o los cometas siempre nos llega hacia nosotros en la misma velocidad, sin importar a qué velocidad se mueven estos. Esto es algo absoluto y es a menudo llamado una constante universal.
En 1905, Einstein aceptó que cada sistema de referencia tiene su propio espacio-tiempo, y que la idea de un tiempo absoluto como lo había planteado dos siglos antes Newton estaba errado. Matemáticamente la velocidad es igual al espacio recorrido sobre el tiempo empleado. Pero ahora bien, si la velocidad de la luz siempre debía ser la misma, no quedaba duda que el núcleo de la cuestión estaba en esos dos rígidos conceptos. Si la velocidad de la luz se mantiene constante, ¿qué cosa entonces es lo que varia? Pues según Einstein, lo que varia es el tiempo y el espacio, y lo decimos en conjunto por que en realidad Albert demostró que el tiempo y el espacio son dos caras de la misma cosa que se amoldan y adecuan para mantener constante la velocidad de la luz constante. ¿cómo puede ser que el tiempo se haga más lento y el espacio más pequeño, no tiene sentido, pero esto sucede a cada instante en el universo.

Imaginemos que estamos en una nave espacial viajando en el espacio vacío en algún rincón del universo, supongamos que viajamos a 99.99% de la velocidad de la luz o a 290,000 km/s. Supongamos ahora que una niña (dentro de nuestro medio de transporte imaginario) se pone de pie y empieza a correr hacia adelante a 20 km/h ¿correrá la niña a una velocidad mayor al de la luz? ¿Correrá la niña a 310,000 km/s? la respuesta es no. La naturaleza tan sabia se encargara de que la niña no vaya más rápido que la luz, adecuando el tiempo y el espacio de la nave espacial, retardando el tiempo para que su velocidad no sea superior al de la luz.

Ante esto se puede concluir lo siguiente, un hombre que viaja a Próxima se centauro (la estrella más próxima a la tierra a 4 años luz de distancia) a una la velocidad próxima a la de la luz, regresará a la tierra y vera que todos sus amigos han envejecido mucho más que 4 años. Esto es una verdad absoluta y gobierna casi todo en el universo.

La ecuación más famosa del mundo

En realidad E=mc2 no es el centro de esta teoría sino una consecuencia de la relatividad del espacio y del tiempo. Los físicos no siempre calculan la materia pesándola en unas balanzas, sino que con más frecuencia la definen según la velocidad que adquiere cuando una fuerza conocida la empuja o tira de ella. El resultado de tal medida no se llama peso, sino masa. Antes de Einstein, los físicos no tenia porque dudar de que si se daba un empujón lo suficientemente fuerte, un trozo de materia podía se acelerado hasta que su velocidad fuese mayor al de la luz. Ahí Einstein contradijo lo mencionado, la velocidad afecta no solo al espacio y al tiempo, sino también a su masa. A medida de que un cuerpo se aproxima a la velocidad de la luz su masa aumenta y seria cada vez más difícil empujarlo. A la velocidad de la luz su masa seria infinita y se necesitaría por lo tanto una cantidad infinita de energía para poder moverla lo que convertiría en una equivalencia. En otras palabras, es imposible para la materia viajar a la velocidad de la luz.

A velocidades corrientes este efecto no es percibible, incluso un avión a la velocidad del sonido, solo tiene un aumento de masa de una diez mil millonésima de una unidad porcentual. Pero la masa aumenta a medida que se llega a la velocidad de la luz; a 90% de esta velocidad, su masa aumentaría el doble.

Otro efecto de los viajes a la velocidad de la luz de la materia, es que su longitud se hace más corta, a medida de que por ejemplo, una nave espacial se acerca a la velocidad de la luz, su longitud disminuye. Einstein postulaba que mientras más rápido se mueva un cuerpo, su longitud se hace mas corta. De nuevo, esto es imperceptible en velocidades normales, pero mientras llegamos a la velocidad de la luz, se hace cada vez mas evidente.

Para finalizar, la masa – afirmo Einstein - es equivalente a la energía en todas sus manifestaciones. Así, pues la energía y la materia no son las dos caras del universo, sino sencillamente dos lados de la misma moneda. Aumentos y disminuciones de energía, van siempre asociados a una variación de la masa. Para patear una pelota que vaya más rápido y cada vez más lejos, es necesario aplicar una fuerza superior.

La cantidad total de energía ( E ) encerrada en una masa ( m ) es igual a “m” multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz ( c ). En esta ecuación, E es el número de ergios, si es expresado en gramos y c por centímetros por segundo, por ejemplo, un gramo de cualquier sustancia, convertido totalmente en energía, produciría: E = 1 X 30.000.000.000 X 30.000.000.000 ergios, ósea 900 trillones de ergios, equivalentes a 25 millones de kilovatios – hora. En otras palabras, el boleto que te dan en el bus , tiene en teoría la energía suficiente para que el bus de varias vueltas a la tierra. Un kilo de materia convertida en energía sería equivalente a 20 millones de toneladas de TNT o 20 kilotones (bienvenida la era Atómica).

Einstein no postulo como liberar energía mediante el rompimiento de núcleos atómicos, solo expuso que esto era posible. También hay que tener en cuenta que, así como Einstein postulaba una mejor descripción de la naturaleza que Newton es posible encontrar otra descripción aun mejor. Por otro lado, Einstein seguía preguntándose, cómo funcionaria la relatividad del espacio y de tiempo teniendo en cuenta la gravedad en el universo, puesto que su teoría no tenía en cuenta este factor, por esta razón la llamo especial pero habría que buscar una teoría mas general que sea aplicada en todos los rincones del universo. El paso siguiente fue trabajar en su mas grande trabajo: La Teoría General de la relatividad, pero esa es otra historia. Nota: Para entender mejor la relatividad es necesario tener en cuenta el principio de relatividad de Galileo, la mecánica Newtoniana, los trabajos de Hendrik Lorentz y Woldermar Voight sobre las ecuaciones de Maxwell y la covariancia de Lorentz