Quizá te haya pasado alguna vez. Oyes algo sobre la luz, la masa, los viajes en el tiempo, y ya no sabes muy bien por dónde sopla el viento ni por qué te dicen que eso en particular que se te está pasando por la cabeza no podría pasar por culpa de la teoría de la relatividad de Einstein. No es de extrañar que sea fuente de muchos dolores de cabeza, porque está íntimamente ligada al funcionamiento del mundo que nos rodea.

En 1905, Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad especial, que explica cómo interpretar el movimiento entre diferentes marcos de referencia inerciales. Vale, dicho así quizá suene a chino, pero sólo se refiere a dos puntos que se están moviendo a una velocidad constante en relación al otro. Es decir, en lugar de usar el éter como marco de referencia para entender qué estaba pasando entre esos objetos, lo único que importaba era a qué velocidad se estaban moviendo en relación al otro.

La relatividad especial sólo incluye un caso especial en el que el movimiento es uniforme. Es decir sólo explica el movimiento si te estás moviendo en una línea recta a velocidad constante. En el momento en el que aceleres o hagas una curva (o cualquier otra cosa que cambie tu movimiento de alguna manera) la relatividad especial deja de aplicarse. Ahí entra en juego la teoría general de la relatividad, porque puede explicar cualquier tipo de movimiento.

La teoría del genial físico alemán se basa en dos principios clave:

  • El principio de la relatividad: Las leyes de la física no cambian, incluso para objetos que se mueven en marcos de referencia inerciales.
  • El principio de la velocidad de la luz: La velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, sin importar su movimiento en relación a la fuente que emite la luz.
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En la Estación Espacial Internacional el tiempo pasa un poquito más lento para los astronautas que para la gente en la Tierra (pero muy, muy, muy poco).

La genialidad de los descubrimientos de Einstein es que analizó los experimentos y asumió que sus hallazgos eran correctos. Hizo justo lo contrario a lo que todos los físicos habían hecho hasta la fecha. En lugar de asumir que la teoría era correcta y que los experimentos habían fracasado, él entendió que los experimentos sí funcionaban y era la teoría lo que estaba mal.

La mención del éter puede parecer extraña, pero hay que tener en cuenta que a finales del siglo XIX los físicos todavía lo estaban buscando. Creían que era el medio que existía a través del que viajaban las ondas de luz. Esa creencia sólo complicaba las cosas (al menos en la visión de Einstein) porque introducía un entorno que causaba que las leyes de la física funcionasen de  una manera u otra según cómo se moviese el observador en relación al éter. Einstein fue más directo, lo eliminó de la ecuación y asumió que las leyes de la física (incluyendo la velocidad de la luz) funcionaban siempre del mismo modo sin importar cómo te movieses, exactamente tal y como demostraban los experimentos que habían hecho.

Unificando el espacio y el tiempo

La teoría de la relatividad especial de Einstein creó un enlace fundamental entre el espacio y el tiempo. Seguro que lo has oído muchas veces: el Universo se compone de tres dimensiones espaciales (izquierda/derecha, arriba/abajo y delante/detrás, o x, y si prefieres las siglas que solemos usar en los ejes gráficos) y una dimensión temporal. A esa cuarta dimensión la llamamos el continuo espacio-tiempo.

Si te mueves lo suficientemente rápido a través del espacio, las observaciones que hagas sobre tanto el espacio como el tiempo serán algo diferentes a las observaciones de otras personas que se muevan a velocidades diferentes.

Pongamos un caso práctico (que puedes ver debajo de este párrafo): Imagina que estás en una nave espacial sujetando un láser que envía un rayo de luz a un espejo que está justo sobre tu cabeza, el haz rebota en el espejo y viaja hasta un detector en el suelo. Además, esta nave espacial se está moviendo a una velocidad constante equivalente a la mitad de la velocidad de la luz (unos 150.000 kilómetros por segundo). Según Einstein, para ti, dentro de esa nave, no hay ninguna diferencia. Puede que ni llegases a percibir que te estás moviendo si no tienes nada que observar para percibirlo. Sin embargo, si un astronauta te estuviese observando, la historia cambia un poco.

Ese astronauta vería un rayo de luz que viaja hacia arriba en una diagonal hacia delante, rebota en el espejo, y continua su diagonal hacia delante (y hacia abajo) camino al detector. Es decir, esa persona ha visto que la luz ha recorrido un camino completamente diferente al tuyo, y aún más importante, los caminos cubiertos ni siquiera tienen la misma longitud. Esto quiere decir que el tiempo que tarda el rayo del láser en viajar del espejo al detector debe ser diferente para que ambos podáis estar de acuerdo en que la velocidad de la luz es la misma.

Por si las moscas, vamos a intentar a asegurarnos de que esto está tan claro como sea posible: la velocidad de la luz es 300.000 kilómetros por segundo. Eso no cambia y es así en absolutamente todo el Universo en todo momento. La luz no puede viajar ni más lento ni más rápido. Es siempre la misma velocidad. Por tanto, para ti, dentro de tu nave, donde no percibes movimiento alguno respecto a tu entorno (aunque tu nave se esté moviendo a una velocidad constante) el tiempo que tarda la luz en hacer el recorrido del espejo al detector es muy breve. Como digo, olvida el movimiento de la nave, porque a ti dentro de ella no te afecta, no lo notas ni lo percibes. Por tanto, el recorrido de la luz para ti es de tan sólo unos metros.

Sin embargo, para el astronauta que te observa desde otra nave, tu te estás moviendo a la mitad de la velocidad de la luz, y como ese rayo de luz se está desplazando contigo, dibuja una diagonal hacia delante (a medida que viaja hacia el espejo que está arriba y luego rebota al detector que está abajo) realizando un recorrido de kilómetros (literalmente). Como la velocidad de la luz es constante para ambos, para él ese viaje del rayo que para ti es instantáneo dura mucho más y cubre mucha más distancia.

A ese fenómeno lo llamamos dilación del tiempo, que es el fenómeno por el que el tiempo en una nave que se mueva muy rápido parece pasar más lento que en La Tierra (de hecho, los satélites GPS tienen que ajustarse cada cierto tiempo para compensar la dilación del tiempo, son diferencias de milésimas de segundo, claro, pero están ahí; también afecta a los astronautas que viajan a la Estación Espacial Internacional, vuelven siendo millonésimas de segundo más jóvenes que nosotros, pero es un lapso de tiempo imperceptible).

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Hendrik Antoon Lorentz, autor de la ecuación de la transformación de Lorentz (evidentemente).

Por extraño que parezca, este ejemplo (y la infinidad de ejemplos que existen) demuestran que en la teoría de la relatividad de Einstein el espacio y el tiempo están conectados íntimamente. Si utilizásemos las ecuaciones de la transformación de Lorentz, el resultado sería que en ambos casos la velocidad de la luz es idéntica para ambos observadores.

Este extraño comportamiento del espacio y el tiempo sólo es evidente cuando te estás moviendo a una velocidad cercana a la luz, por eso nadie la había observado antes (y sólo ahora en esta época de satélites y exploración espacial comenzamos a ver algunos efectos y tener que lidiar con ellos). Los experimentos que hemos hecho desde el descubrimiento de Einstein han servido para confirmar que el alemán estaba en lo cierto: el tiempo y el espacio son percibidos de maneras diferentes para objetos que se muevan a velocidades cercanas a la de la luz.

Unificando la masa y la energía

En Salto al Infinito (serie de 1995) fueron más prácticos. En lugar de mandar a sus protagonistas a viajar por el tiempo, los mandaban a dimensiones paralelas.
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En Salto al Infinito (serie de 1995) fueron más prácticos. En lugar de mandar a sus protagonistas a viajar por el tiempo, los mandaban a dimensiones paralelas.

El trabajo más famoso de Einstein también surgió en 1905, cuando aplicó las ideas de su relatividad para crear la famosa ecuación de E=mc2 (Energía (E) es igual a masa (m) por la velocidad de la luz al cuadrado (c)) que representa la relación entre la masa y la energía.

A grandes rasgos, Einstein descubrió que cuando un objeto se acercaba a la velocidad de la luz, la masa del objeto aumentaba. El objeto viaja mucho más rápido, pero también se vuelve más pesado. Si pudiese llegar a moverse a la velocidad de la luz, la masa y energía del objeto sería infinita. Un objeto muy pesado es más difícil de acelerar, así que es imposible que una partícula pueda llegar a c (se podrá acercar muchísimo, a 99,999999… y tantos 9 como quieras poner, pero nunca llegará al 100% de c).

Hasta aquel entonces, los conceptos de masa y energía habían sido vistos como algo completamente separado. Él demostró que los principios de conservación de la masa y de conservación de la energía son parte de un mismo principio unificado, más grande, el conservación de la masa-energía. La materia puede convertirse en energía, y la energía en materia, porque existe una conexión fundamental entre los dos tipos de sustancias.

¿Qué pasa con los viajes en el tiempo?

Una máquina del tiempo no tendría este aspecto. Sería como una nave espacial más.
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Una máquina del tiempo seguramente no tendría este aspecto. Sería como una nave espacial más.

Todos viajamos en el tiempo. De hecho, durante el año pasado, hemos viajado un año (no, espera, no es un chiste malo). Dicho de otro modo, podríamos decir que estamos viajando en el tiempo al ritmo de una hora por hora. Vale, la pregunta en realidad es: ¿podemos viajar más rápido o más lento que esa hora por hora? ¿Podemos viajar atrás en el tiempo, a, digamos, 2 horas por hora, o 10 o 100 años por hora? Pensar el viaje en el tiempo da dolor de cabeza. ¿Qué pasa si viajas en el tiempo e impides que tus padres se conozcan? ¡Impedirías tu propio nacimiento! Pero si lo hicieses, entonces no podrías haber viajado en el tiempo para impedirles conocerse.

Como ya hemos explicado la teoría especial de la relatividad, ya sabemos que si nos movemos muy cerca de la velocidad de la luz, el tiempo pasa mucho más lento para nosotros que para la gente que hayamos dejado en la Tierra, y no notaremos el efecto hasta volver a ver esas personas. Supongamos que alguien de 15 años abandonase el planeta en una nave que viajase al 99,5% de la velocidad de la luz (que es muchísimo más rápido de lo que podemos viajar hoy en día) y esa persona pasase cinco años en su viaje espacial. Al llegar de vuelta al planeta, con 20 años, descubriría que todos sus compañeros de clase tienen 65, se han jubilado, y están disfrutando de sus vidas con sus nietos… El tiempo ha pasado mucho más lento para él, de tal forma que mientras él ha vivido 5 años, sus compañeros han vivido 50.

Si ese viaje hubiese tenido lugar en 2014, sólo le hubiera llevado a esa persona 5 años viajar el año 2064, mientras que sus amigos habrían necesitado esos 50 años. Esa es una manera de viajar al futuro más rápido que la velocidad de una hora por hora.

Puede parecer coña, pero es más probable que se pareciese a un coche, especialmente si la usásemos en la Tierra y no en órbita.
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Puede parecer coña, pero es más probable que se pareciese a un coche, especialmente si la usásemos en la Tierra (en órbita no serviría, claro).

Es más, los científicos han pensado sobre posibles distorsiones en el espacio-tiempo para imaginar cómo podrían funcionar las máquinas del tiempo (como los agujeros de gusano). Aunque algunas de las ideas son muy atractivas , todavía no sabemos si son realmente posibles para objetos de verdad. Lo importante es que estas ideas están basadas en ciencia real. Del mismo modo, las teorías del viaje en el tiempo que sí están permitidas por la ciencia real dicen que no habría forma de viajar a un tiempo anterior al de la construcción de la máquina del tiempo.

Viajar al futuro es posible pero necesitaríamos algún tipo de tecnología muy avanzada, y el viaje consumiría una cantidad inmensa de energía. Viajar al pasado es más complicado, principalmente porque no entendemos la ciencia al respecto igual de bien, pero en principio es posible también y no podríamos incurrir en paradojas (como impedir que tus padres se conozcan), ya que las paradojas no ocurren de manera natural. Es decir, no hay un objeto inamovible que pueda chocar con una fuerza imparable. O bien hay una fuerza imparable, o bien hay un objeto inamovible, pero no ambos. Aun si pudieses viajar al pasado, a un momento anterior al de la construcción de tu máquina del tiempo, e intentar impedir que tus padres nunca se conociesen, algo te lo impediría, y el cómo no tiene por qué implicar que tú sobrevivieses.

Podrías viajar al pasado sólo para que algún desalmado te atropelle antes de que puedas impedir que tus padres se conozcan… Admitámoslo, sería un tanto patético, así que oye, mejor limitémonos a pensar en los viajes en el tiempo en sí, ¿no?