La tierra se mueve en el espacio como un grano de polvo en un vendaval: gira alrededor del sol a 30 kilómetros por segundo, y este astro se mueve a su vez a 30,000 kilómetros por segundo alrededor del centro de la vía Láctea, que es solo una galaxia entre los millones de galaxias que efectúan un baile cósmico enlazadas por sus mutuas atracciones gravitacionales. Y sin embargo no percibimos ninguno de esos movimientos.

La inmovilidad y la inmutabilidad de nuestro planeta eran evidentes a los hombres de la antigüedad, y solo recientemente hemos podido aceptar que se mueve en el espacio, el hecho que el movimiento de la tierra sea imperceptible en la experiencia cotidiana se debe a un principio fundamental que Galileo Galilei enuncio claramente en el siglo XVII: las leyes de la física son independientes de cualquier sistema de referencia.

La tierra constituye el ejemplo mas obvio de lo que es un sistema de referencia con respecto al cual se efectúan la mayoría de las mediciones. Podemos estudiar por ejemplo, el movimiento de una piedra que se deja caer desde lo alto de un poste: la experiencia demuestra que la piedra cae exactamente a lo largo de una línea recta vertical.

Pero la tierra no es el único sistema de referencia disponible. ¿Qué pasa si se repite el experimento de la piedra que cae en un barco en movimiento? Supongamos que la piedra se suelta desde lo alto de un mástil. ¿Caerá la piedra justo al pie del mástil o quedara rezagada debido al movimiento del barco? Esto era un problema filosófico que en la época de galileo, se trataba de resolver estudiando escritos de Aristóteles y otros pensadores de la antigüedad. No sabemos si galileo realizo experimentos en un barco o en el laboratorio de su casa, pero podemos afirmar que el comprendió por primera vez las profundas implicaciones de ese problema.

En el ejemplo del barco, la piedra caería justo al pie del mástil si no fuera por el aire que la empuja hacia atrás. Para evitar complicaciones innecesarias, se puede realizar el experimento en el interior del barco, donde el aire esta en reposo. En este caso, la caída de la piedra se daría como si el barco estuviera en reposo.

La trayectoria de la piedra, vista en el sistema referencial que es el barco, es una línea recta vertical. En cambio, en el sistema de referencia de la tierra firme, la trayectoria es una parábola. Estas dos descripciones de un mismo fenómeno físico son perfectamente compatibles entre si: un observador en tierra firme, ve una piedra que se arroja desde el barco y ve la piedra caer siempre pegada al mástil, que se mueve con la misma velocidad; un observador en el barco ve simplemente una caída vertical. Tanto el barco como la tierra firme son sistemas de referencia aceptables, y es solo una cuestión de conveniencia escoger el mas apropiado.

Hasta hemos insistido en que el movimiento del barco (o cualquier sistema referencia) debe ser sin cambios de velocidad y en línea recta. Sin embargo, sabemos por experiencia que la marcha de un vehículo se nota cuando su velocidad varia; en un automóvil que toma una curva hacia la derecha, los pasajeros son empujados hacia la izquierda, al enfrenarse son arrojados hacia delante y al acelerarse hacia atrás. Este tipo de fuerzas se debe a la inercia de los cuerpos masivos; todo objeto tiende a moverse en línea recta, con la misma velocidad y opone resistencia a cualquier cambio de velocidad o trayectoria.

Las fuerzas que surgen en un sistema de referencia únicamente por el cambio de velocidad o de trayectoria y no por factores externos, se deben a la inercia de los cuerpos masivos; por esta razón, se les llama fuerzas inerciales. Un sistema de referencia inercial es aquel que se mueve en línea recta sin variar su velocidad; evidentemente en tal sistema de referencia no surgen fuerzas inerciales. La relatividad de los sistemas inerciales choca en un principio con el sentido común.

Si nunca se detecta el movimiento de la tierra en la experiencia cotidiana, es justamente por el principio de relatividad de Galileo. El hecho de que un cuerpo masivo tiende a moverse en línea recta y a la misma velocidad, si ninguna fuerza actúa sobre el , es una ley fundamental de la mecánica, descubierta por el gran físico ingles Isaac Newton y llamada, en su honor, primera ley de newton. Un ejemplo fácil seria el de una nave espacial que se encuentra a una velocidad constante sin ningún planeta que le estorbe, apagara sus motores bruscamente, seguiría viajando indefinidamente; para cambiar su trayectoria necesitaría volver a encender sus motores.

El espacio absoluto de Isaac Newton.

Los fundamentos de la física teórica aparecieron por primera vez en la obra cumbre de Newton, los Principios matemáticos de la filosofía natural, donde Newton expone los principios básicos de la mecánica (sus famosas tres leyes), la ley de la gravitación universal y un eficacísimo sistema matemático que permitiría resolver los problemas mas importantes de la mecánica. La primera ley de Newton, que afirma que todos los cuerpos se mueven en línea recta y con una velocidad constante mientras no actúen fuerzas externas sobre ellos, es otra manera de expresar el principio de relatividad de Galileo. Newton nunca rechazo este principio pero insistió en postular la existencia de un espacio absoluto, que equivaldría a un sistema de referencia especial y único, con respecto al cual el universo en su conjunto estaría en reposo. Por otra parte la existencia de un espacio absoluto parece bastante natural.

Existe otra razón, relacionada con el problema de la gravitación, por la que Newton recurrió a un espacio absoluto. A pesar de que toda su mecánica funcionaba a la perfección, Newton siempre estuvo insatisfecho por lo que consideraba un hueco importante de su teoría: la ausencia de una explicación física del fenómeno de atracción gravitatoria.

Los principios matemáticos de Newton contestan brillantemente la pregunta ¿Cómo se atraen dos cuerpos? Pero no a ¿Por qué se atraen? Newton propuso como solución transitoria, la existencia de una acción a distancia entre los cuerpos masivos, pero insistió en que dicha acción era un concepto provisional, en espera de una mejor teoría

La naturaleza de la luz.

Además de la mecánica, la otra gran contribución de Newton a la física es la óptica, el estudio de la luz. De hecho, uno de sus primeros trabajos científicos fue analizar la luz que pasa por un prisma y descubrir que la luz blanca esta compuesta, en realidad de una mezcla de todos los colores del arco iris.

¿Qué es la luz? El mismo Newton pensaba que la luz estaba constituida por partículas que se mueven en el espacio a gran velocidad, como proyectiles, rebotando o absorbiéndose en los cuerpos materiales, o penetrando en los cuerpo transparentes, como el vidrio. La controversia sobre la naturaleza de la luz -partícula u onda- persistió aun después de Newton y Huygens, hasta que en el siglo XIX la balanza se inclino al parecer definitivamente, a favor de la teoría ondulatoria (victoria efímera, como veremos mas adelante).

Electricidad y magnetismo.

En el siglo XVIII, el francés Coulomb demostró que dos cuerpos eléctricamente cargados ejercen una fuerza de atracción o repulsión entre si es similar a la fuerza gravitacional: proporcional a la magnitud de la carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

El hecho de que el magnetismo esta relacionado con la electricidad se hizo evidente cuando el físico danés Hans Christian Oersted descubrió, a principios del siglo XIX, que las corrientes eléctricas producen fuerzas magnéticas que influyen sobre los imanes: una brújula tiende a alinearse perpendicularmente a un cable por donde pasa una corriente eléctrica suficientemente fuerte. Posteriormente, el científico francés Jean-Marie Ampère encontró una ley que relaciona la corriente eléctrica con al fuerza magnética que genera.

James Clerk Maxwell, se intereso en la teoría molecular de los gases y llego a ser uno de los pioneros de la llamada física estadística. Pero su obra mas importante consiste en la formulación matemática de la leyes del electromagnetismo, los fenómenos unificados de la electricidad y el magnetismo.

Maxwell logro expresar las leyes descubiertas por Coulomb, Faradahi y Ampère en un conjunto de formulas (ecuaciones diferenciales, en lenguaje técnico) que relacionan matemáticamente las distribuciones de cargas y corrientes con las fuerzas eléctricas y magnéticas que generan en cada punto del espacio. Las ecuaciones de Maxwell permitieron ver de forma clara que la electricidad y el magnetismo son dos manifestaciones de un mismo fenómeno físico, el electromagnetismo.

Un aspecto común entre la gravitación y el electromagnetismo es la existencia de una aparente acción a distancia entre los cuerpos, acción que tanto disgustaba a Newton. Maxwell no resolvió este problema, pero invento un concepto que desde entonces se utiliza constantemente en la física: el campo electromagnético. Según esta interpretación, en todo punto del espacio alrededor de una carga existe una fuerza electromagnética, cuya intensidad y dirección están definidas por medio de unas formulas matemáticas. En realidad, mas que un concepto, el campo es una definición que da cierta consistencia a la idea de una carga eléctrica actúa sobre una lejana, sin tener que recurrir a una acción a distancia.

El primer éxito, y el mas notable, de la teoría de Maxwell fue la elucidación de la naturaleza de la luz. Maxwell demostró, a partir de sus ecuaciones matemáticas, que la luz es una onda electromagnética que consiste en oscilaciones del campo electromagnético. Se llama longitud de onda la distancia entre las dos crestas de una onda. Pero que sustenta una onda en el espacio? Este problema no parecía haber avanzado mas allá de las suposiciones de Newton. No quedo mas recurso a Maxwell que recurrir a la existencia del misterioso éter como un medio físico que transporta las ondas electromagnéticas y da cierto sustento al concepto del campo. Pero el problema del éter estaba relacionado con otro aspecto, enigmático, de la teoría de Maxwell: aparente necesidad de espacio absoluto.

Pero que pasa en un sistema de referencia que se mueve junto con la partícula cargada? En ese sistema, la partícula esta en reposo y, por lo tanto, la corriente eléctrica no debe ejercer ninguna fuerza sobre ella, ya que el campo magnético no actúa sobre partículas en reposo.

La existencia de un sistema de referencia absoluto es perfectamente aceptable si uno admite la realidad del éter como una sustancia universal que sustenta los fenómenos electromagnéticos.

La búsqueda del éter.

Si la luz tiene una velocidad bien definida con respecto al éter, entonces esta velocidad debe variar según el movimiento de quien o mida. Lo mismo debe suceder con la luz, cuya velocidad es fija con respecto al éter. La tierra gira alrededor del sol con una velocidad aproximada de 30 Km/seg. De acuerdo al razonamiento anterior, un rayo de luz emitido en el sentido de movimiento de la tierra debe moverse, con respecto a la tierra misma, con una velocidad menor que un rayo emitido en la dirección contraria, siendo la diferencia de velocidades entre los dos rayos luminosos de 60km por segundo.

Albert Einstein nació en 1879 en la ciudad alemana de Ulm. Según contaba el mismo, empezó a interesarse en la física aun sido niño, un día que le compraron una brújula. Le intrigaba el hecho de que el imán siempre señalara a la misma dirección, y como era de esperarse, las explicaciones que le dieron los adultos estaban lejos de satisfacerle. Como no había sido un brillante estudiante. Einstein no logro encontrar ningún puesto de trabajo como físico al terminar sus estudios. Finalmente para subsistir y mantener a su familia (se había casado en 1903 y su primer hijo había nacido un poco después) acepto un trabajo en la oficina de patentes de Berna, en Suiza. Su trabajo consistía en estudiar las solicitudes de patentes, pero en sus ratos libres seguía dedicándose a la física.

Uno de los problemas que mas le interesaban en aquella época era la aparente incompatibilidad entre el principio de relatividad galileano y la teoría electromagnética de Maxwell. El problema que se había planteado era el siguiente: Las ecuaciones de Maxwell describen el comportamiento del campo electromagnético en cada punto del espacio y en cada instante de tiempo. Ahora bien ¿se puede cambiar la posición del tiempo en las ecuaciones de Maxwell sin alterar su forma? En el caso de las ecuaciones newtoniana, la respuesta es afirmativa debido al principio de relatividad de galileo: se puede pasar de un sistema de referencia a otro sin cambiar la forma de las ecuaciones (las leyes de la física son invariantes), si el tiempo medido en cada sistema es el mismo. Evidentemente, en el caso del electromagnetismo, el problema es mas complicado porque no se puede recurrir a la relatividad galileana.

Tal era la situación cuando Einstein publico en 1905 el famoso articulo intitulado Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, en una prestigiosa revista alemana de física; con ese trabajo nació la teoría de la relatividad. Einstein postulo que la ecuaciones de Maxwell deben tener la misma forma en cualquier sistema de referencia inercial y que, por lo tanto, es imposible distinguir, a partir de experimentos electromagnéticos, un sistema e referencia inercial de otro. Para que este principio de relatividad se cumpla, es necesario, que las transformaciones de Lorentz sean físicamente validas; en consecuencia, el tiempo medido entre dos cuerpos depende del movimiento de quien lo mide.

También postulo que no existe un tiempo absoluto, ni un espacio absoluto y, por lo tanto tampoco el éter. Pero si no existe el éter ¿con respecto a que debe medirse la velocidad de la luz? La respuesta fue tajante: la velocidad de la luz (en el vació) es la misma en cualquier sistema referencial inercial.

En la teoría de la relatividad, las velocidades no se adicionan o sustraen simplemente, pues hay que tomar en cuenta también como se mide el tiempo en un sistema de referencia dado.

El tiempo y el espacio relativos.

El hecho de que el tiempo no transcurre en forma igual para observadores distintos es una de las predicciones mas sorprendentes de la teoría de Einstein. Nuestro sentido común, basado en la practica cotidiana, indica que los relojes funcionan de la misma forma, sin importar como se mueven. ¿no es entonces absoluto pretender que el tiempo medido es relativo al observador? Es importante señalar que el efecto predicho por Einstein solo es perceptible a velocidades cercanas a la de la luz.

La razón porque no percibimos variaciones de tiempo en nuestras experiencia diaria es que estamos acostumbrados a movernos a velocidades extremadamente pequeñas con respecto a la velocidad de la luz. Si la velocidad del la luz fuera muchísimo menor de lo que es, estaríamos acostumbrados a variaciones del tiempo, y no hubiera sido necesario un Einstein para convencernos de que el tiempo es relativo a quien lo mide.

Otra consecuencia sorprendente de la teoría de Einstein es que el espacio, al igual que el tiempo, también es relativo a quien lo mide. Mas específicamente, si la longitud de un cuerpo en reposo es L, entonces su tamaño en movimiento digamos, L', será menor, de acuerdo con la formula:

Tal como sucede con el tiempo, esta contracción aparente es imperceptible si la velocidad del objeto es mucho menor que la velocidad de la luz.

Materia y energía

Además de la contracción del tiempo y del espacio, la teoría de la relatividad predice un efecto que, en un principio, parecía un resultado meramente formal, pero que años mas tarde modifico fundamentalmente el curso de la historia.

Einstein se dio cuenta de que la masa y la energía de un cuerpo aparecen siempre unidas de una manera muy conspicua en las ecuaciones de su teoría. Esto le condujo a afirmar que existe una equivalente entre la masa y la energía expresada por la formula:

E = mc2

Donde E es la energía de un cuerpo, m es su masa y c2 la velocidad de la luz elevada al cuadrado.

La formula de Einstein afirma que un solo kilogramo de materia equivalente aproximadamente a toda la energía que se consume en la tierra en una hora.

Obviamente surge la pregunta de si se puede extraer, en la practica, la enorme energía almacenada en la materia. Al principio Einstein y los demás científicos de su época eso era solo una ilusión, pero la situación empezó a cambiar en los años treinta...

La naturaleza de la luz.

Como señalamos anteriormente, la teoría de la relatividad corto de raíz el concepto del éter como sistema absoluto de referencia. Fue un alivio para la física, pues no había modo de explicar la naturaleza de una sustancia intangible. Sin embargo, al desaparecer el éter resurgía con mas fuerza el problema de la propagación de la luz: si la luz es una onda, como indican todos los experimentos ¿en que medio se propaga? Para responder esa pregunta fue necesaria otra revolución científica: la mecánica quántica, en cuya fundación también participo Einstein e forma decisiva.

La cantidad de energía emitida en cada longitud de onda depende fundamentalmente de la temperatura del cuerpo del emisor y se puede medir experimentalmente. Finalmente, el físico alemán Max Planck demostró que se podía explicar la forma de la radiación emitida por un cuerpo si se postulaba que la luz se propaga en paquetes inversamente proporcional a la longitud de la onda. De acuerdo con la hipótesis de Planck, la energía transportada por una onda luminosa es un múltiplo de la energía:

Hv

Donde h es la llamada constante de Planck -su valor es 6.547 x 10-27 erg/seg—y v es la frecuencia de la onda (el numero de vibraciones por segundo; la frecuencia v y la longitud de onda
están relacionadas por la formula v = c/
).

La teoría de la relatividad de Einstein altero básicamente nuestros conceptos de espacio y tiempo, que dejaron de ser categorías independientes para fusionarse en un solo concepto: el espaciotiempo. En la teoría de relatividad, se unen para formar el espaciotiempo de cuatro dimensiones: tres dimensiones espaciales y una temporal; cada punto del espacio es un suceso que se caracteriza con cuatro números: tres para describir la posición donde ocurre y uno para determinar el tiempo al que sucede. El hecho de que el espaciotiempo tenga cuatro dimensiones no es nada sorprendente, al contrario de lo que podría sugerir la idea de una cuarta dimensión. Lo único novedoso es que las cuatro coordenadas del espaciotiempo aparecen unidas en la teoría de la relatividad, mientras que en la física clásica están desasociadas en tres espaciales y una temporal.

¿Mas rápido que la luz?

Hemos señalado anteriormente que la velocidad de la luz es una barrera natural a la velocidad que puede adquirir cualquier cuerpo o señal; la energía necesaria para alcanzar esa velocidad es infinita para una partícula masiva, y solo una partícula sin masa, como el foton, puede alcanzarla. Para nuestra necesidades practicas, la velocidad de la luz es un limite sumamente generoso. La luz tarda solo 0.13 segundos en dar una vuelta a la tierra, por lo que la comunicación terrestre no representa ningún problema en cuanto rapidez. Sin embargo la limitación impuesta por la velocidad de la luz empieza a manifestarse a escala cósmica.