SI YO PUDIERA VIAJAR SOBRE UN RAYO DE LUZ

Albert Einstein

¿Cómo se observaría el mundo?

A quien no es matemático lo sobrecoge un misterioso escalofrío cuando oye hablar de objetos "cuatridimensionales" como si se tratara de conceptos ocultos.

Y, sin embargo hay afirmación más trivial que decir que nuestro mundo es un espaciotiempo continuo cuatridimensional.

A. EINSTEIN

Casi al inicio de 1900, los científicos empezaron a poner en tela de juicio el tiempo y la luz, pues estaban sufriendo serios cuestionamientos y las teorías parecían derrumbarse. Un experimento que Albert Michelson realizó en 1881 y que seis años más tarde reedito con Edward Morley en el que dirigió la luz en distintas direcciones, resulto descubriendo que, aunque reubicase el aparato, la velocidad de la luz no tenía ningún cambio. Esto iba en contra de las leyes de Newton.



 

Einstein postuló que no existe un tiempo absoluto, ni un espacio absoluto, por lo tanto ¿con respecto a qué debe medirse la velocidad de la luz?

La respuesta fue tajante: la velocidad de la luz (en el vacío) es la misma en cualquier sistema de referencia inercial. Después de todo, eso es lo que indicó el experimento de Michelson y Morley.

La invariancia de la velocidad de la luz parece contradecir toda experiencia. Si la velocidad de la luz es de trecientos mil kilómetros por segundo, se esperaría que al correr tras una señal luminosa ésta parecería tener una velocidad menor.

 

Sin embargo, según Einstein, no importa cómo se mueva un sistema de referencia, pues la velocidad de la luz medida en él será siempre de 3.0 x 10⁵ kilómetros por segundo. En la teoría de la relatividad, las velocidades no se suman o ni se restan simplemente, pues hay que tomar en cuenta también cómo se mide el tiempo en un sistema de referencia dado.

 

 

 

 

En resumen, la velocidad de la luz en el vacío es una constante fundamental de la naturaleza, independiente de quién la mida. Es una velocidad extremadamente alta en comparación con nuestra experiencia cotidiana (un rayo luminoso sólo necesita dos segundos para ir de la Tierra a la Luna y volver). ¿Por qué la luz tiene esa velocidad y no otra? Esta pregunta no la puede responder la física; lo único que se puede afirmar es que, de ser otra la velocidad de la luz, el Universo sería muy distinto al que conocemos y no existiríamos nosotros para formularnos tales preguntas.

La Teoría de la Relatividad de Einstein alteró básicamente nuestros conceptos de espacio y tiempo, que dejaron de ser categorías independientes para fusionarse en un solo concepto: el espaciotiempo.

El espacio posee tres dimensiones: esto quiere decir que, para determinar la posición de un punto, se necesita un sistema de referencia y tres números (llamados coordenadas)  O, dicho de otro modo, que todo cuerpo posee altura, anchura y profundidad.

El tiempo, por otro lado, es unidimensional y sólo se necesita un número para precisar un intervalo de tiempo.

• En la mecánica clásica, el espacio y el tiempo eran dos absolutos, independientes entre sí.

• En la teoría de la relatividad, se unen para formar el espaciotiempo de cuatro dimensiones: tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal; cada "punto" del espaciotiempo 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 disociadas en tres espaciales y una temporal.

 

 

 

Incluso, el espaciotiempo de cuatro dimensiones posee propiedades geométricas bien establecidas. Esto lo demostró en forma convincente el matemático Herman Minkowsky, poco después de que apareciera la teoría de la relatividad. Los fenómenos físicos ocurren en el espaciotiempo que los físicos y matemáticos llaman espacio de Minkowsky, un espacio de cuatro dimensiones en el que cada punto es un suceso y en el que se puede, incluso, definir la "distancia" entre sucesos.

FÍSICA

La ciencia, tal como se la define actualmente,  propone un conocimiento crítico e intenta describir la realidad y explicarla mediante leyes que son proposiciones universales que establecen bajo qué condiciones se producirán ciertos hechos, permitiendo así la predicción de los fenómenos, a condición de estar despojados de sentimientos, sensaciones y emociones.

La física, por un lado,  nos acerca al conocimiento de los elementos materiales que constituyen la Naturaleza próxima, y por otro, intenta investigar el origen del Universo y su evolución mediante modelos analíticos teóricos, y todo ello, recurriendo a la abstracta razón de la útil herramienta de las matemáticas.

Los físicos se valen de la investigación en su vertiente fundamental o aplicada, dependiendo de si son teóricos o experimentadores. En cualquier caso, el objetivo último, tal vez utópico, es el de construir un modelo capaz de resolver todas y cada una de las cuestiones que se pueden plantear desde la relatividad general y la física cuántica, unificándolas en una sola teoría.

En este momento, sin embargo, no parece posible un modelo físico-teórico que contenga a la vez, las fuerzas que interrelacionan la materia con la energía (electromagnetismo, gravedad, fuerza débil o de Fermi y fuerza nuclear) y las ondas y partículas elementales cuánticas.

La física cuántica establece que las partículas elementales, constituyentes del átomo, no son elementos esencialmente reales dada su imprecisión existencial. Se pueden comportar como partículas en un momento dado y como ondas en el siguiente o en el anterior. Existen en un espacio y un tiempo que no reconoce el presente, saltan del pasado al futuro, y a la inversa. El presente material sólo es reconocido como una necesidad y una arbitrariedad de la observación humana.

No obstante, contradictoriamente, las partículas elementales y las ondas exigen su derecho de ser el fundamento de la materia. Paradigma complejo y de difícil solución. La curiosidad estriba en que tanto la física relativista como la cuántica resuelven problemas siempre que no sea simultáneamente.

Esta disyuntiva generó el Principio de Incertidumbre propuesto por Heisenberg, que expresa el que no hay ningún elemento que exista en un lugar y en un tiempo determinados. Por tanto, la velocidad y situación de una partícula elemental solamente se puede fijar en un instante dado (por el diagrama de Friedmann), pero nunca se sabrá que sucederá en el instante siguiente, y tampoco si actuará como tal partícula o como función de onda.

La física clásica la erigió Newton como respuesta al sentido común. La materia se puede evaluar, se precisa su posición y su comportamiento, se prevén los movimientos y velocidades, sus energías y sus resultados. Las ondas eran elementos de segundo orden en comparación con las partículas que por sí solas eran suficientes para conformar la materia.

La física clásica no intuyó con la perspicacia necesaria, las posibilidades de las ondas actuando como partículas, al no conocer estos elementos subatómicos, a la vez extremadamente cercanos y lejanos, pero vinculados estrechamente a la vida de los átomos. No fue más allá del horizonte molecular.

La física cuántica teoriza sobre la constitución íntima de la “materia real” fundamentándola en dos partículas elementales: fermiones y bosones.

Los fermiones son las partículas que construyen la estructura de la materia, y se encuentran representados por los electrones, protones y neutrones. Son partículas que actúan con cierta independencia y autonomía.

Los bosones son los vectores que transportan la esencia y la fuerza de la Naturaleza, facilitando la conjunción del Universo. Son partículas independientes que siempre interactúan entre sí, a veces sincrónicamente, pero que en ciertas condiciones pierden su individualidad. Esta paradoja  de la interdependencia e individualidad de estas partículas fue enunciada por Einstein, Podolski y Rosen. Los bosones están constituidos por los gluones, gravitones y fotones, siempre con tendencia unívoca a la reunión dispersa.

La interrelación dinámica entre fermiones y bosones, la fundamenta, especialmente, el fotón, que al no tener carga, es su propia antipartícula. Pares de electrones y positrones pueden ser creados espontáneamente por fotones, y este proceso se puede invertir como consecuencia de su propia aniquilación. La antipartícula del electrón es el positrón. La colisión de un fotón (γ) con un electrón (e^-) genera un brusco cambio en la dirección de este. El e^- absorbe al γ. Luego, lo emite cambiando de nuevo su dirección.