LA MATERIA Y LA VELOCIDAD DE LA LUZ

(PRIMERA PARTE)

La materia no es lo que vemos a simple vista, no, esto solo es una apreciación macroscópica, la materia tiene una composición diferente a lo que nuestro limitado ojo nos permite observar. La materia está formada por diminutas partículas que se encuentran en movimiento haciendo una dinámica, de tal forma tendremos obligatoriamente que relacionar a la materia con su dinámica, en otras palabras existen electrones que giran alrededor de un núcleo aparentemente estático a una gran velocidad y entre mayor sea la velocidad de los electrones mayor solidez tendrá la materia a nivel macroscópico, pero ¿qué pasaría? si esa dinámica se va perdiendo, es decir los electrones y todas las partículas elementales que tengan movimiento se van deteniendo poco a poco, ¿qué le sucedería a la materia?, el presente trabajo trata de explicar de una forma lógica este fenómeno, que dicho sea de paso puede resultar original.

Según la teoría de la relatividad, nada que sea materia puede lograr viajar a la velocidad de la luz, de hecho sería sumamente complicado acercarse siquiera a ella e imposible rebasarla, la misma ecuación matemática se indetermina en el valor de la velocidad de la luz y en los valores superiores pasa al universo de los números no reales (imaginarios y complejos), el problema radica en que la materia se dilata con el incremento de velocidad de acuerdo a la siguiente expresión:

donde:

masa dilatada

masa en reposo

velocidad lineal del sistema

velocidad de la luz

De esta forma al llegar a la velocidad de la luz, la materia tendría un valor infinito y por tal motivo necesitaría de una energía infinita para moverse, aunque todo lo relacionado a la relatividad se le ha denominado como teoría, la verdad es que los resultados experimentales cada día van reforzando los postulados de esta.

Para la mayoría de las personas, es difícil comprender el hecho de que con el incremento de la velocidad el tiempo y la masa se dilaten, la longitud se contraiga y claro también aceptar el hecho de que la velocidad de la luz sea constante medida desde el marco de referencia inercial en que se mida, es decir mecánicamente se sabe que a cualquier objeto con una velocidad v, es necesario sumarle la velocidad de su marco de referencia inercial para obtener su velocidad final, por ejemplo cualquier objeto que se mueva sobre la tierra para obtener su velocidad final se le deberá sumar la velocidad del movimiento de traslación y de rotación que esta tiene, la tierra es el marco de referencia inercial y tiene una velocidad de traslación aproximada de 30 km/s, entonces si un carro sobre la tierra viaja a 10 m/s, este en realidad estará viajando a 10 m/s 30 km/s la velocidad tangencial debida a la rotación de la tierra y de acuerdo al ángulo que se forme con estas velocidades, será la velocidad resultante, pero para el caso de la luz ¡¡no sucede esto!! ¿Cómo puede ser? Y esto es uno de los motivos por los que la mayoría de las personas, no pueden concebir a la relatividad, no se les ha dado una explicación que la mayoría pueda entender, por ejemplo si una nave espacial viajara a la mitad de la velocidad de la luz y tirara un rayo luminoso, este debiera salir a la mitad de la velocidad de la luz, ya que al sumársele la velocidad de la nave, que ya es la mitad de la velocidad de la luz nos daría la velocidad del rayo igual a la velocidad de la luz, entonces las personas que viajaran dentro de la nave verían que el rayo luminoso que ellos emitieron viaja a la mitad de la velocidad de la luz, pero esto no es cierto, según la teoría de la relatividad, ya que los tripulantes de la nave notarían que ese rayo, efectivamente para ellos, también se desplaza a la misma velocidad de la luz y entonces diríamos nosotros fuera de la nave que el rayo viaja a la velocidad de la luz más un medio de la velocidad de la luz, ya que la nave lleva esa velocidad y mecánicamente la velocidad final del rayo tendría que ser , es decir 1.5 veces la velocidad de la luz, y eso tampoco es cierto, el rayo sigue viajando a la velocidad de la luz, medido desde cualquier marco de referencia, ¿cómo puede ser esto?, finalmente este principio inicial de la relatividad, que aunque es verdadero, no es claro haya motivado a que desde su inicio la teoría fuera difícil de aceptar.

Lo que motivo a Einstein a definir a la velocidad de la luz como una constante y que hacia caso omiso de los marcos de referencia inerciales, fueron los trabajos de Maxwell, ya que ninguna de sus ecuaciones mediante las cuales se determino la velocidad de la luz tomaban en cuenta algún sistema de referencia inercial, es decir Maxwell pudo haber estado en Marte que tiene otra velocidad de traslación y de rotación que la tierra o viajando en una nave espacial y de todas formas hubiese obtenido el mismo valor para la velocidad de la luz.

Sin tomar en cuenta efectos relativistas empezaremos a hablar acerca de la materia y la velocidad de luz, para tales propósitos nos referiremos a las fuerzas conocidas de la naturaleza comenzando con la ley de Coulomb que tiene la siguiente expresión:

Y en forma vectorial:

Está es la ecuación que nos define la fuerza de atracción o de repulsión que experimentan dos cargas estáticas separadas por una distancia r, si las cargas son del mismo signo, entonces la fuerza es de repulsión y si las cargas son de signo contrario, entonces la fuerza es de atracción.

Ahora analicemos que pasa cuando existen cargas en movimiento e imaginemos dos cargas moviéndose a la misma velocidad en forma paralela y separadas por una distancia r.

Las cargas en movimiento generan campos magnéticos y en este caso por la interacción de las dos se producirá también una fuerza de atracción o de repulsión, dependiendo del signo de las mismas, analizando a una sola, el campo magnético que generará se expresa con la siguiente fórmula:

Y la fuerza debida a la interacción de las dos está dada por:

De tal forma para nuestro ejemplo, la fuerza se expresa de la siguiente forma:

Se ha hecho mención a dos fuerzas que aparentemente existen de forma separada, pero esto es algo ficticio porque la realidad es que estas dos fuerzas, la eléctrica y la magnética, actúan en forma conjunta y solo en un caso puntual, pero tal vez irreal podría estar actuando sólo una de ellas y esto sería en el reposo absoluto.

Al hablar de la fuerza eléctrica estática, estamos dando por hecho que nos encontramos en reposo, la verdad es otra ya que formamos parte de un marco inercial, que en este caso es la tierra, en conjunto nuestro sistema solar y a gran escala toda la galaxia y el Universo entero, así es que no estamos en reposo y debido a eso, aunque para nosotros no sea así, para el Universo estas cargas se están moviendo y por tal motivo están generando campos magnéticos y por lo mismo fuerzas magnéticas.

Las leyes del electromagnetismo indican que si las cargas en movimiento mantienen la misma dirección y son del mismo signo, las fuerzas que experimentarán serán de atracción y si son de signo diferente, entonces las fuerzas que experimentarán serán de repulsión, por otro lado para las fuerzas eléctricas, si las cargas son del mismo signo experimentarán fuerzas de repulsión y si son de signo contrario experimentarán fuerzas de atracción, es decir sucede al revés que con las fuerzas magnéticas.

De tal forma si medimos la fuerza que producen dos cargas estáticas y estas son de signo contrario, podremos observar una fuerza de atracción, pero como estas cargas también se encuentran en movimiento, debido a las traslación y rotación de la tierra, entonces se debe manifestar una fuerza magnética que será de repulsión, es decir opuesta a la generada por la fuerza eléctrica, claro que esta fuerza será más débil, pero irá en aumento conforme aumente la velocidad, lo más extraño es que esta fuerza magnética nunca la observamos, ni la podemos medir, ya que nosotros viajemos a la velocidad que viajemos, siempre mediremos constante esa fuerza eléctrica, sólo alguien que observará desde afuera de nuestro marco inercial podría notar la disminución de esa fuerza, pero ¿cómo puede ser esto?

Necesariamente tenemos que recurrir a las ecuaciones y hacer algunos cálculos, así es que manos a la obra:

Utilizando el ejemplo de las dos cargas moviéndose en la misma dirección de forma paralela, con la misma velocidad y haciendo caso omiso de los vectores y solo usando las magnitudes, podemos escribir lo siguiente:

La fuerza magnética existe y por ningún motivo podemos eliminarla en la suma de fuerzas y se opone a la fuerza eléctrica, pero sigamos adelante, ya que en algún momento la fuerza magnética debe igualar a la eléctrica con el aumento de la velocidad, así es que igualando a cero la ecuación obtendremos el valor de la velocidad en la cual se igualarían las fuerzas.

Siendo:

Este es precisamente el valor exacto de la velocidad de la luz, lo cual significa que al llegar a esta velocidad las fuerzas de oposición magnética igualan a las fuerzas eléctricas. Podría existir un alma aventurera que cuestione este resultando diciendo que según la relatividad, la masa se dilata con la velocidad y que la longitud se contrae y que por lo mismo a la carga le debe suceder algo, algún fenómeno relativista y que eso modificaría este resultado, ¡pero no!, lamentablemente aún metiendo estas modificaciones a la ecuación, el resultado seguiría siendo el mismo, si no está de acuerdo lo puede intentar, las cargas y las distancias se eliminan a si mismas en la ecuación varíen como varíen, al parecer las fuerzas son más nobles que el tiempo, la masa y la longitud e ignoran los fenómenos relativistas, por tal motivo me sigo trabajando con ellas.

Ahora simplificando la ecuación de fuerzas obtenemos:

Sí, parece ser una ecuación del tipo relativista, pero en esta deducción no supusimos nada que fuera constante y nadie invito a la velocidad de la luz, ella apareció por si sola, aparte la ecuación no se indetermina en ningún punto, ni en ningún momento pasa al reino de los números complejos e imaginarios.

La ecuación tomó la forma de una fuerza eléctrica disminuyendo con la velocidad, haciéndose cero al alcanzar la velocidad de la luz e incluso toma valores negativos al rebasarla.