Todo tiene un límite

Hemos escuchado infinidad de veces decir que nada puede moverse más rápido que la luz en el vacío. Lo que en general nadie nos explica es por que. Da la impresión de que este límite para la velocidad de cualquier objeto fuera una especie de mandamiento de la física que tenemos que aceptar sin cuestionarlo. En realidad no es así, sino que tiene una explicación a través dela Teoría Especialdela Relatividad. Nohuyan despavoridos, sigan leyendo por favor…

La relatividad se conoce desde mucho tiempo antes de que Einstein se sentara a escribir su teoría mientras se aburría enla Oficinade Patentes donde trabajaba. Galileo y Newton hablaron de ella y gracias a ambos se puede calcular la velocidad de objetos en sistemas que se mueven uno respecto al otro. Einstein incorporó un dato, que se deduce de un famoso experimento, que revolucionó la física en su momento. Pensemos en un ejemplo para aclarar las cosas.

Estamos en una estación de trenes, parados en el andén. Vemos a una pareja de enamorados despedirse con mucha tristeza. Ella se va en el tren, él se queda. Los detalles de su relación amorosa y los motivos del viaje no son relevantes para el ejemplo. El tren comienza a moverse y tenemos la típica escena de las películas: el enamorado empieza a caminar o a correr a la par del tren, para demorar todo lo posible el momento de dejar de ver a su amada. Para nosotros, parados sobre el anden, el muchacho se mueve a la misma velocidad del tren. En nuestro sistema de referencia él se mueve. Para la chica, que lo ve desde el tren, él está siempre frente a ella, mirándola. Aparte de las gruesas gotas de transpiración que caen por su frente y de que efectivamente lo ve correr, ella podría decir que su enamorado no se mueve. Respecto a su  sistema de referencia, en este caso el tren, el muchacho está quieto. Esa es la base de la relatividad en la física clásica.

Cualquier fenómeno se ve igual desde el tren o desde el anden, siempre que la velocidad de uno respecto al otro no cambie. Cualquier ley física que se nos ocurra vale tanto en el tren como sobre el andén. Si hay aceleración (el tren frena, gira o aumenta bruscamente su velocidad) comenzamos a ver efectos raros. La gente en el tren se mueve como si una fuerza extraña apareciera de la nada. Todos experimentamos esto viajando parados en un colectivo.

El primer postulado (afirmación que no se demuestra y que da base a una teoría) de la relatividad de Einstein es que los fenómenos físicos son idénticos en dos sistemas que se mueven uno respecto al otro con velocidad constante (sin aceleración). Cambiemos ahora el ejemplo un poco, recordando el resultado anterior. Para nosotros el muchacho se mueve, para su enamorada no. ¿Qué pasaría si en lugar de una persona corriendo a la par del tren viéramos un rayo de luz? La respuesta es, al menos para mí, sorprendente. Tanto nosotros en el andén como la chica sobre el tren vemos que la luz viaja a exactamente la misma velocidad. El hecho de que el tren se mueva y nosotros estemos quietos hace que nosotros y la chica veamos velocidades diferentes para el movimiento del muchacho. Pero esto no pasa con la luz. No importa a que velocidad nos movamos, siempre vemos que la velocidad de la luz es igual y constante. Este resultado apareció en un experimento a principios del siglo XX, en el que se intentó demostrar la existencia del eter, la sustancia que en teoría era necesaria para que la luz se propagara. No sólo no encontraron nada parecido, sino que como resultado vieron que la velocidad de la luz es una constante universal. Este es el segundo postulado de la relatividad.

Aplicar esto a las ecuaciones de movimiento de un objeto tiene resultados que van en contra del sentido común. El tiempo y el espacio se mezclan en las ecuaciones, de manera que moverse a una cierta velocidad altera el paso del tiempo, o cambia la longitud de un objeto según si estamos quietos o moviéndonos respecto a él. Todo tiene que ver con la constancia de la velocidad de la luz y el hecho de que la información viaja a esa velocidad.

La razón por la cual nada puede viajar más rápido que la luz es simple, aunque los cálculos sean complicados. Imaginemos que en nuestro sistema de referencia vemos algo que sucede, por ejemplo que alguien arroja una piedra contra un vidrio y lo rompe. La lógica indica que primero debe ocurrir que alguien arroje la piedra y en un instante posterior el vidrio se rompa. Esto se llama causalidad. Arrojar la piedra es la causa, el vidrio roto el efecto. No hace falta saber nada sobre ciencia para entender que necesariamente la causa precede al efecto. Sin embargo, también se puede probar mediante las leyes de la termodinámica, que definen una dirección para el tiempo. Supongamos por un momento que es posible enviar información a una velocidad mayor que la de la luz. La ecuaciones nos dicen entonces, después de varios cálculos, que podemos encontrar un sistema de referencia donde el efecto ocurre antes que la causa. Esto, además de ir en contra de nuestra intuición y de nuestra experiencia, nos dice que en ese sistema no valen las leyes de la física que valen en otros sistemas (un vidrio se rompe antes de que tiremos la piedra). Esto se llama volación de la causalidad y es por eso y no por ninguna otra cosa que la velocidad de la luz es el límite absoluto para cualquier velocidad.

Muchas más cosas extrañas pasan cuando la velocidad de un objeto se acerca a la velocidad de la luz. Los invito a que lean y pregunten si tienen ganas de saber más.

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