[Esta é unha tradución adaptada do artigo orixinal de 13 de maio de 2007 Relatividad sin fórmulas – Preludio, de Pedro Gómez-Esteban González, que pode lerse nesta ligazón.]
No artigo sobre o «pozo intuitivo» pode xurdir a pregunta de por que non se pode ir máis rápido ca a velocidade da luz. Dediquei un tempo a pensar como explicalo sen usar fórmulas e sen dar cousas por sabidas, para que non sexa simplemente «pois porque esta ecuación di que faría falta unha enerxía infinita», que é o que adoito ler por aí… e non podo facelo. Ao menos, non sen establecer antes unhas bases.
De xeito que, á fin, decidín «tirar polo camiño do medio» e dedicarlle unha serie enteira de artigos á Teoría da Relatividade Especial; de paso, contestarei a devandita pregunta. Iso si, aquí imos tentar non empregar fórmulas, senón falar das cousas de maneira cualitativa. O meu obxectivo é explicar que todas as «cousas raras» que semella que pasan cando vas moi rápido (a dilatación do tempo, a contracción da lonxitude, etc.) son consecuencias moi lóxicas e inevitables dun punto de partida moi sinxelo.
É posible que esta serie enteira che pareza un fastío insoportable. Síntoo, pero se queres respostas terás de ter paciencia comigo, porque quero ir amodo. Por suposto, un aviso: esta non é unha análise exhaustiva da relatividade, imos realizar simplificacións que porán os pelos de punta a calquera físico decente. Simplificacións tremendas… e o peor é que nos gusta así.
Nesta primeira entrega da serie, imos falar de cal é a situación da física atinente á luz e ao movemento en 1905, cando Einstein publica a súa xenial Teoría da Relatividade Especial.
A últimos do século xix, as leis que rexen o movemento dos obxectos materiais estaban moi ben establecidas. Un dos principios máis importantes, o Principio de Relatividade de Galileo, afirmaba que non hai ningún xeito de saber se un sistema está quieto ou se move a unha velocidade constante. Isto ten sentido: imaxina que ti e mais un amigo vos movedes polo baleiro, o un cara ao outro, a unha velocidade constante. Ti pensarías que estás quieto e que el se move cara a ti. El pensaría que está quieto e que ti te moves cara a el. Non hai ningún experimento que ningún dos dous poida facer para demostrar que ten razón. Quen está quieto e quen se move? Non hai ningún xeito de sabelo.
Pero este principio non se lles aplicaba ás ondas. Consonte as teorías daquela época, si se podía saber quen se move ou quen está quieto, porque as ondas electromagnéticas, coma a luz, se moven a unha velocidade coñecida no baleiro: 300 000 km/s. O que mida que a velocidade da luz é de 300 000 km/s é o que está quieto. O que non mida esa velocidade, móvese. De maneira que, cara a 1900, o Principio de Relatividade (tamén chamado Principio de Equivalencia) se aplicaba soamente ao movemento dos obxectos, pero non á luz.
A estas alturas, os físicos estaban de acordo en que a luz era unha onda. Porén, todas as outras ondas coñecidas ata entón, coma, por exemplo, o son, precisaban un medio para se propagar (coma a auga, unha corda ou o aire). Logo por onde se propagaba a luz? Como nos chega, por exemplo, desde o Sol, se non hai nada entre nós? (Hoxe en día sabemos que non é preciso un medio de propagación, pero daquela críase que si era necesario.)
Unha posibilidade é que si haxa algo entre nós. É posible que a Terra non se mova polo baleiro, senón que haxa un medio que enche todo o Universo e no interior do cal se moven os astros. Os científicos que propuxeron a súa existencia chamárono éter luminífero. A luz que sae do Sol chéganos a través do éter, conque o problema queda resolto. Ademais, como o éter está quieto (é o «sistema de referencia absoluto» do Universo), a luz móvese a 300 000 km/s con relación a el. As teorías do electromagnetismo daquela época (sintetizadas nas ecuacións de Maxwell*) cumpríanse así perfectamente.
Pero os científicos non deixan estar as cousas, éche o que teñen: sempre fan preguntas. Por exemplo, non debería a Terra, ao moverse dentro do éter coma un barco na auga, rozar con el e ir reducindo a súa velocidade? Ademais, todas as demais ondas, coma o son, se propagan máis rápido canto máis denso é o material polo que se moven, e a luz é a onda máis rápida de todas… non debería o éter ser moi denso? Logo como podemos movernos a través del sen notalo?
Así e todo, ao non haber outra explicación posible, moitos físicos aceptaban a existencia do éter, que só tiña sentido se se consideraba que tiña propiedades moi raras: era extraordinariamente tenue e invisible, de modo que non o notamos nin rozamos contra el, e todas as estrelas e os planetas se moven a través del sen alterar o seu camiño. A luz emprégao como medio de propagación, de xeito que pode viaxar polo aparente baleiro.
Por suposto, axiña xurdiu unha pregunta: se o éter está quieto pero a Terra se move a través del, a que velocidade nos movemos? Non sería difícil sabelo. Imaxina a situación seguinte: móveste a través do éter polo baleiro interestelar, pero non sabes a que velocidade. O único que sabes é que a luz sempre se propaga polo éter a 300 000 km/s. Como poderías saber a túa velocidade?
É doado: poderías coller unha lanterna, apuntar cara a unha dirección determinada e medir a velocidade da luz que sae da lanterna. Despois elixir outra dirección e medir a velocidade da luz. E a luz moveríase máis rápido nunhas direccións ca noutras, porque se move a 300 000 km/s con relación ao éter e ti te moves con relación a el nunha dirección.
Por exemplo, imaxinemos que te moves a 1000 km/s no éter. Se apuntases coa lanterna cara «adiante» no teu movemento, estarías a perseguir a luz que sae da lanterna, de xeito que a súa velocidade con relación a ti sería de 299 000 km/s. Se apuntases coa lanterna cara atrás, estarías a escapar da luz, de xeito que se movería con relación a ti a unha velocidade de 301 000 km/s.
De maneira que os físicos fixeron precisamente iso: medir a velocidade da luz en direccións diferentes para saber a que velocidade nos movemos no éter. O experimento máis famoso, pola súa extraordinaria precisión e sinxeleza, foi o de Albert Michelson e Edward Morley (aínda que non o imos detallar aquí, baséase máis ou menos no razoamento que fixemos antes).
Michelson e Morley mediron a velocidade da luz cunha precisión inmensa en moitas direccións diferentes, e o resultado que obtiveron foi concluínte: a velocidade da luz era exactamente a mesma en todas as direccións. Dito doutro xeito, consonte as suposicións daquela época, a Terra estaba completamente quieta no éter.
De feito houbo xente que pensou que talvez dese a casualidade de que, nese momento, a Terra estivese realmente quieta nese punto da súa órbita arredor do Sol. De modo que se repetiu o experimento seis meses despois (cando a Terra está a moverse no sentido contrario arredor do Sol). O resultado: a velocidade da luz era exactamente a mesma en todas as direccións. Pero se se medira en momentos diferentes e en direccións diferentes! Non debería notarse a diferenza?
Por unha banda, o Principio de Relatividade de Galileo era aceptado para as partículas pero non para as ondas, de maneira que, teoricamente, mediante a luz poderiamos saber a que velocidade nos movemos. Pola outra banda, semellaba que a velocidade da luz era sempre a mesma, de xeito que debiamos de estar quietos todo o tempo a pesar de movernos arredor do Sol… Algo non cadraba.
Aquí, por suposto, entra Einstein e rompe a física anterior en mil anacos. Pero iso discutirémolo no segundo capítulo desta serie, no cal analizaremos os postulados dos que parte o xenial físico para establecer a súa teoría e comezaremos, finalmente, a mergullarnos nas procelosas augas da… boeno, non: a verdade é que as augas da Relatividade Especial non son nada procelosas, e espero que, cando remate esta serie, esteas de acordo comigo.
Sobre o autor: Pedro Gómez-Esteban González é físico, profesor de Educación Secundaria e autor do blog El Tamiz.
*N. do T.: Onte publicaba César Tomé López un artigo no Cuaderno de Cultura Científica que pode resultar interesante: as investigacións e procesos dedutivos de Maxwell canto ao éter e a velocidade da luz. Pódese ler en La velocidad de las ondas electromagnéticas y la naturaleza de la luz (en castelán).↩
Ciención de Breogán 