el origen de la Teoría de la relatividad

La Teoría que pasó de irrelevante a transformar la Humanidad

Albert Einstein fue el primero en dar el salto conceptual de un 'viejo' universo mecánico al 'nuevo' relativista. Al hacerlo cambió el cosmos para todos nosotros

Foto: Albert Einstein (Foto: Corbis)
Albert Einstein (Foto: Corbis)

Una de las características más interesantes y menos comprendidas de la ciencia es que nunca está terminada; siempre está en construcción. Los conocimientos que añadimos al acervo científico pueden no cambiar, pero su interpretación se modifica con el tiempo a medida que nuevos hechos ponen en cuestión nuestra lectura de los anteriores. Esto significa que ninguna verdad científica es final e inamovible; todas ellas por importantes y antiguas que sean siempre estarán sujeta a evolucionar de la mano de nuevos descubrimientos.

Por eso se dice que muchas elegantes y hermosas teorías han sido destruidas por un pequeño y feo dato. Esto también significa que nuestra comprensión del cosmos nunca es absoluta y completa, sino que cambia con el tiempo. Uno de los más importantes cambios en la historia de la ciencia, que significó una reinvención de nuestra comprensión del cosmos a gran y a pequeña escala y abrió  una enorme cantidad de aplicaciones prácticas se produjo a principios del siglo XX de la mano de la Teoría Especial de la Relatividad, cuando Albert Einstein abrió la puerta a que los físicos reinterpretaran el Universo de raíz.

A finales del siglo XIX la física estaba a punto de terminarse, de echar el cierre. Muchos físicos pensaban que las grandes preguntas ya estaban respondidas, los grandes misterios resueltos, las mayores dudas vencidas, y lo que quedaba era barrer los rincones donde aún quedaban pequeñas reservas de ignorancia, debidas sobre todo a la falta de interés por resolverlas.

En lugar de proponer el espacio o el tiempo como absolutos, Einstein propuso una única constante universal: la velocidad de la luz en el vacío

Los enormes avances de la física a lo largo del siglo habían iluminado todos los misterios que quedaban, reforzando y ampliando el universo mecanicista de Newton con un armazón electromagnético que de la mano de las ecuaciones de Maxwell parecía rellenar cualquier posible sombra, e incluso suplantar la mecánica si hiciera falta. Según el filósofo y matemático británico Alfred North Whitehead, se trataba de “una era de exitosa ortodoxia científica que no era cuestionada por muchas ideas que se saliesen de la ortodoxia”, e incluso “una de las etapas del pensamiento menos interesantes desde los tiempos de la Primera Cruzada”.

La base de todo era Newton y su Sistema del Mundo basado en que espacio y tiempo eran absolutos e inamovibles, y en las reglas del movimiento de los planetas. Para Newton el tiempo era inamovible, según escribió en su Principia: "El tiempo absoluto, verdadero y matemático de sí y por su propia naturaleza fluye igualmente sin relación con nada externo a sí, y por otro nombre es conocido como duración".

Antes de la Relatividad: filosofía y eter

Es cierto que se desconocía la esencia de la gravedad (una fuerza de atracción cuyo origen misterioso molestaba al mismo Newton), pero este era un detalle menor: la exactitud de los cálculos que permitían las fórmulas mecánicas eran pruebas suficientes. A lo largo del siglo XIX la electricidad y el magnetismo se incorporaron a la física de la mano de las ecuaciones de Maxwell y encontraron su encaje sin problemas, hasta tal punto que para algunos derivar todas las leyes físicas del electromagnetismo era una simple cuestión de tiempo. El calor y la energía se encontraron con la estadística y la teoría cinética del comportamiento de los gases culminando en la Termodinámica. Todo parecía encajar en un único y enorme modelo que prefiguraba el inminente momento en el que la Física estaría terminada.

Albert Einstein (derecha) con el matemático austríaco Walther Mayer
Albert Einstein (derecha) con el matemático austríaco Walther Mayer

Tan potentes eran estas ideas y tan fuerte su impulso que incluso se desbordaron de su marco científico y empezaron a invadir la filosofía, e incluso más allá. Ideas como la energía o el éter llevaron a ciertos teóricos a considerar que todo en el universo eran manifestaciones energéticas interconectadas entre sí con un lenguaje cercano al misticismo.

Los nuevos fenómenos como los misteriosos y potentes Rayos X (reales; o los N, imaginarios) o la descomposición radiactiva que transmutaba unos elementos en otros hicieron que destacados físicos hablaran de estos hechos con palabras que recordaban a la alquimia (para horror de Mendeleiev, creador de la Tabla Periódica de los Elementos). Ideas termodinámicas como la degradación de la energía, que culminaría de modo irreversible en la muerte térmica del universo (Wärmetod) se extrapolaron a la inevitable decadencia de la historia. En algunos teóricos del final del siglo XX la física se extendía mucho más allá de su dominio natural.

Aunque, por supuesto, había fenómenos que no tenían cabida en este marco triunfante. En una conferencia dada en la Royal Institution en 1900 William Thompson, Lord Kelvin (pdf), destacó dos graves problemas que no se podían integrar en la física newtoniana ni siquiera tras incluir el electromagnetismo y la termodinámica. Uno era que la teoría cinética de los gases sólo resultaba coherente si los átomos eran unidades indivisibles, sin estructura interna; una idea que los experimentos sobre rayos catódicos o el efecto fotoeléctrico empezaban a poner en duda. Y dos, y mucho más seria: la comprensión del electromagnetismo de Maxwell exigía la existencia de un éter luminífero, una sustancia misteriosa que sirviese de sustrato a las ondas electromagnéticas y conectara todo el cosmos formando un marco de referencia fijo y estable que nadie había detectado. No citadas por Lord Kelvin había otras anomalías como la imposibilidad de explicar los detalles de la órbita de Mercurio con la mecánica newtoniana. 

(Foto: Corbis)
(Foto: Corbis)

La crisis quedó simbolizada por el famoso experimento de Michelson y Morley en 1887 que intentó detectar la presencia del éter luminífero utilizando el movimiento del planeta Tierra en su órbita. Ingeniosamente diseñado y ejecutado el experimento demostró la inexistencia de esta elusiva sustancia: el ‘viento del éter’ no existe, y por tanto las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de ningún medio sobre el que hacerlo. Otros experimentos posteriores confirmaron que el éter no existía, y sin esta sustancia tanto las disquisiciones místicas de una interconexión cósmica como las teorías electromagnéticas convencionales quedaban sin sustento.

La propuesta de Einstein

Es aquí donde la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein dio un salto en el vacío; un cambio de eje de referencia que provocó que los físicos reinterpretaran el Universo desde sus mismas raíces. En lugar de proponer el espacio o el tiempo como absolutos, Albert Einstein propuso una única constante universal: la velocidad de la luz en el vacío, idéntica en cualquier marco de referencia inercial.

Basándose en trabajos de Lorenz y Poincaré y volviendo a interpretar los resultados del experimento de Michelson y Morley, esta primera gran teoría de Einstein propuso que tanto el espacio como el tiempo son variables en función de la velocidad del observador que los mide, de donde se deducen una gran cantidad de consecuencias más o menos paradójicas si las consideramos desde el punto de vista clásico. Por ejemplo, que la masa y la energía son intercambiables, o que la longitud de un objeto o la duración de un acontecimiento no son absolutos, sino que dependen de la velocidad que lleva quien los mide.

Albert Einstein junto a su esposa Elsa Einstein. (Foto: Corbis)
Albert Einstein junto a su esposa Elsa Einstein. (Foto: Corbis)

De dos postulados relativamente simples y comprobables experimentalmente se deducen una enorme cascada de consecuencias físicas, que no eliminan la mecánica newtoniana, sino que la prolongan: el Sistema del Mundo no son más que las ecuaciones de la relatividad en regímenes de bajas energías y velocidades. Pero la Relatividad permite explicar las ecuaciones de Maxwell, la estructura interna del átomo o las variaciones de la órbita de Mercurio debidas al influjo de la gravedad del Sol sobre la luz.

En conjunción con la teoría cuántica de Planck, esta nueva comprensión del Universo nos ha permitido desarrollar desde la energía atómica a la electrónica y la informática, y nos ha permitido ampliar la frontera de la comprensión desde lo más grande (megaestructuras galácticas, el Big Bang) hasta lo más pequeño (bosones, fermiones).

Una buena parte de todo esto se debió al trabajo de muchos otros físicos que vivieron y trabajaron en esta época de estable inestabilidad finisecular. Muchas de las ideas, como la velocidad de la luz constante o los cuantos de energía ya se habían lanzado por científicos como Lorenz o Planck. La inexistencia del ‘viento del éter’ era bien conocida entre los físicos, como los problemas con la radiación del cuerpo negro o los fuertes indicios de estructura interna de los átomos. Einstein fue el primero en crear una teoría coherente capaz de resolver muchos de estos problemas dentro de un nuevo sistema, y de hacerlo de tal modo que fuera comprobable experimentalmente. En otras palabras: fue el primero en dar el salto conceptual de pasar de un ‘viejo’ universo mecánico al ‘nuevo’ relativista, y al hacerlo cambió el cosmos para todos nosotros. 

Einstein fue el primero en dar el salto conceptual de un ‘viejo’ universo mecánico al ‘nuevo’ relativista. Al hacerlo cambió el cosmos para todos nosotros

Sus tesis, a pesar de su coherencia intelectual y del peso de las sucesivas comprobaciones experimentales, no fueron aceptadas de un día para otro, ni por todos los físicos: a veces los cambios de paradigma necesitan cambios generacionales en departamentos y cátedras, como bien explicaba Thomas Kuhn citando a Max Planck: “Una nueva verdad científica no triunfa convenciendo a sus oponentes y haciéndoles ver la luz, sino más bien porque sus oponentes mueren y crece una nueva generación que está familiarizada con ella”. Los científicos, al fin y al cabo, son humanos, y quienes han hecho sus carreras y desarrollado su vida intelectual dentro de un determinado marco a veces encuentran imposible abandonarlo por otro diferente, por mucho más atractivo que pueda parecer.

Las personas que se dedican a la ciencia pueden ser incapaces de repensar su universo. Pero la ciencia en su conjunto lo hace constantemente, y en cada nuevo salto avanza en su conocimiento de la realidad. Aunque, justo es decirlo pocas veces da un salto tan enorme como el que supuso aquel artículo de 1905 en una revista de física, firmado por un revisor de patentes en Suiza llamado Albert Einstein. Tan enorme y tan fértil que un siglo después aún sigue haciendo avanzar el conocimiento de la Humanidad. 

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