Acerca de la relatividad del tiempo y del espacio

La relatividad en juego es el título de la conferencia que el doctor José Ignacio Illana, profesor titular del departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de Granada pronunció el pasado martes en nuestro instituto para el alumnado de los bachilleratos científico y tecnológico.
A lo largo de una exposición clara y muy amena el doctor Illana desentrañó los secretos de una teoría aparentemente poco intuitiva, que ofrece respuestas que parecen estar en contradicción con la realidad, pero que se hacen patentes a velocidades próximas a la de la luz o la presencia de campos gravitatorios intensos.

José Ignacio Illana en un momento de la conferencia.

Comenzó la charla destacando los postulados de la teoría especial de la relatividad, a saber: que es imposible distinguir el reposo del movimiento para un observador no acelerado y que la velocidad de la luz en el vacío es la misma para cualquier observador, independiente de que este se mueva hacia el foco emisor de luz o se aleje de él. Las consecuencias de estos principios son sorprendentes: tanto el tiempo como el espacio son relativos, sus medidas son diferentes si los observadores están en reposo o se mueven a velocidades próximas a la de la luz. A pesar de esta dificultad, estos efectos están ampliamente confirmados. Un ejemplo proviene del estudio de los muones producidos por los rayos cósmicos al impactar en las capas altas de la atmósfera. Estas partículas tienen una vida media muy corta en la que únicamente podrían recorrer unos cientos de metros; sin embargo, llegan a la superficie porque para nosotros su tiempo se ha dilatado y el espacio se ha contraído. Otra evidencia la aporta el experimento de Hafele y Keating, quienes demostraron en 1971 que dos relojes atómicos previamente sincronizados marcaban tiempos diferentes después de que uno de ellos viajara en un avión para volver a reunirse con el otro.
El experimento anterior es la puesta en práctica de la paradoja de los gemelos, la más conocida de la relatividad. Si uno de los dos gemelos hiciese un viaje espacial a una velocidad próxima a la de la luz y regresara a la misma velocidad, el hermano que se marcha sería más joven que el que se queda en tierra, por efecto de la dilatación temporal. La aparente contradicción surge cuando consideramos el problema desde el punto de vista del gemelo viajero, que tiene perfecto derecho a pensar (mientras viaje con velocidad uniforme) que es su hermano el que se mueve respecto a él y por tanto debería encontrarlo más joven. Esta paradoja se resuelve notando que el reencuentro solo es posible si el gemelo viajero sufre una aceleración que cambia su trayectoria y por tanto sus observaciones no se pueden predecir usando la relatividad especial durante el periodo en el que se halla acelerado. Lo cierto es que mientras se alejan o se acercan a velocidad uniforme ambos verían que el otro envejece más lentamente. La predicción correcta es por tanto la del gemelo que se queda en tierra. Deducimos que el efecto neto de la aceleración en el gemelo viajero deber ser, para compensar, un enlentecimiento de su reloj biológico con respecto al de su hermano. Este resultado está de acuerdo con las predicciones de la relatividad general, que trata de observadores acelerados.
También consecuencia de la relatividad es la equivalencia entre masa y energía que postula la ecuación más famosa de la física, E=mc², cuyos efectos se comprueban en el Sol, las centrales nucleares o los aceleradores de partículas. En estos cuando chocan protones a velocidades próximas a la de la luz originan nuevas partículas, como el bosón de Higgs, con una masa muy superior a la de los protones que colisionaron.
Seguidamente desgranó la teoría general de la relatividad, aquella que se aplica cuando los sistemas son acelerados. Uno de sus pilares fundamentales es el principio de equivalencia, que en esencia propone que en una pequeña región del espacio los efectos de la gravedad son los mismos que los producidos por una aceleración. A partir de ellos se deduce la igualdad de masa inercial y masa gravitatoria, la dilatación temporal gravitarioria (un reloj en un campo gravitatorio intenso se ralentiza frente a otro sometido a una gravedad menor) y una nueva teoría de la gravedad, en la que la ésta no es una fuerza sino una distorsión del espacio-tiempo causada por objetos muy masivos. Así, los planetas no se mueven alrededor del Sol por la fuerza de atracción que éste ejerce sobre ellos, sino que viajan por el camino más corto (línea geodésica en un espacio curvo) que resulta ser una órbita 'casi' cerrada
Estos efectos fueron ya comprobados en 1919 cuando el astrónomo Arthur Eddington comprobó como en un eclipse, la trayectoria de la luz que llegaba de las estrellas se desviaba al pasar cerca del Sol debido a la curvatura que este causaba sobre el espacio tiempo por su gran masa; otros fenómenos que lo confirman son el el avance del perihelio de Mercurio, las lentes gravitacionales o los agujeros negros.

Los efectos de la relatividad general se pueden apreciar en las lentes gravitacionales.

La conferencia concluyó destacando como las teorías de Einstein también han influido sobre la concepción actual del universo en expansión y sobre conceptos como los de materia oscura o energía oscura, está última responsable de la expansión acelerada que se observa en el universo.
Tras la conferencia hubo un interesante turno de preguntas en el que se plantearon cuestiones tan interesantes como la posibilidad de los viajes temporales, la utilidad de la relatividad general para el descubrimiento de exoplanetas, si la velocidad de la luz ha tenido siempre el mismo valor o la posibilidad de taquiones, partículas que viajasen a mayor velocidad que la luz.
Desde aquí nuestro agradecimiento al doctor José Ignacio Illana por su espléndida charla y al CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear) institución que ha tenido la cortesía de ofrecer esta conferencia dentro del ciclo que ofrece gratuitamente para los Institutos de Enseñanza Secundaria. (http://www.i-cpan.es/bachillerato/).