La relatividad de Einstein también obliga a redefinir el concepto de masa

Por Manuel D. Barriga-Carrasco, profesor del Área de Mecánica de Fluidos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad de Castilla-La Mancha:

Hasta el siglo XIX existía lo que conocemos como física clásica (como el electromagnetismo). Pero a finales de ese siglo y principios del siguiente tuvieron lugar una serie de experimentos que no podían explicarse mediante esa física clásica. Para explicarlos surgieron una serie de teorías (que no suposiciones) que se englobaron en lo que se llamó física moderna: la física cuántica y la teoría de la relatividad general.

La física cuántica está relacionada con el mundo de los objetos muy pequeños. Hablamos del mundo subatómico, donde suceden fenómenos que la física clásica no puede explicar. Para la física clásica hay dos grandes mundos: el de las partículas y el de las ondas. Ambos están separados, o te comportas como una partícula o como una onda. Para la física cuántica estos dos mundos son el mismo: las partículas se comportan como ondas y las ondas como partículas. Por eso se puede dividir la física cuántica en dos partes, una que estudia “las propiedades ondulatorias de las partículas” y otra que estudia “las propiedades corpusculares de las ondas”.

La teoría de la relatividad general, publicada en 1915 por Albert Einstein, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana para objetos que se mueven a velocidades próximas a la velocidad de la luz. Coincide numéricamente con la newtoniana para velocidades pequeñas, a las que nosotros estamos acostumbrados en nuestra vida diaria.

La teoría de la relatividad general se utiliza mucho en campos donde los objetos se mueven a velocidades muy altas. Por ejemplo, cosmología, astrofísica y física nuclear. Una versión más sencilla de esta teoría es la relatividad especial, publicada en 1905, en la que no se considera la gravedad (que es la causante de que se curve el espacio-tiempo).

Para entender la relatividad especial hay que conocer primero la clásica. Los sistemas de referencia inerciales son aquellos sistemas que se mueven a velocidad constante uno con respecto a otro. Además, deben cumplir las leyes clásicas de Newton y las leyes de conservación. Veamos un sencillo ejemplo.

Un peatón quieto en la calle ve pasar un coche a velocidad constante de 10 km/h y un tren a 20 km/h. Si nos situamos en el sistema de referencia del coche, veremos al tren yendo solo a 10 km/h y al peatón yendo en sentido contrario a una velocidad de 10 km/h. En la relatividad clásica el espacio-tiempo es absoluto: debe haber un sistema de referencia que está en reposo absoluto y todos los demás sistemas de referencia se mueven respecto a él.

Pero a finales del siglo XIX se hicieron una serie de experimentos que la física clásica no era capaz de explicar.

Uno de ellos fue el experimento de Michelson-Morley (1887), donde se dedujo que la velocidad de la luz era constante en todos los sistemas de referencia inerciales. Si en el ejemplo anterior el tren fuera a la velocidad de la luz, tanto el peatón como el coche lo verían moverse a la misma velocidad, la de la luz.

Para dar solución a este y otros experimentos, Einstein enunció dos postulados.

El primero dice que la velocidad de la luz tiene el mismo valor en todos los sistemas de referencia, además de ser un límite de velocidad para cualquier objeto. Como consecuencia, el tiempo que pasa y la longitud de los objetos que se mueven a velocidades próximas a la luz no son iguales en todos los sistemas de referencia, pueden variar al cambiar de sistema.

El segundo postulado nos dice que solo podemos medir velocidades relativas entre dos sistemas inerciales, pero no hay un sistema de referencia en reposo absoluto.

Este fue el origen de la teoría de la relatividad especial, y a su vez de parte de la física moderna. Pero ¿cómo será la relatividad especial? ¿Cambiarán los conceptos clásicos como espacio, tiempo, masa y energía? ¿O cambiarán las leyes fundamentales de la física?

El Universo es tal como es ya que se cumplen las leyes de la física, por lo tanto es más lógico pensar que las leyes se conservan, mientras que tendremos que redefinir los conceptos clásicos de espacio, tiempo, masa, impulso, fuerza y energía para que estén de acuerdo con los nuevos postulados de Einstein.

Por ejemplo, en la relatividad clásica, si a una masa se le aplica una fuerza, esta masa experimentará una aceleración proporcional a esta fuerza e inversamente proporcional a su masa. Si se le sigue aplicando esa fuerza durante un tiempo suficientemente largo, la masa podría adquirir una velocidad mayor que la de la luz según la dinámica clásica, y esto no es posible según los postulados de Einstein.

Por tanto, se requerirá redefinir el concepto de masa y, del mismo modo, otros conceptos clásicos.

Hemos de recordar que para llegar a estos nuevos conceptos en la relatividad especial hemos aplicado las mismas leyes de la física clásica, así que estas tienen que ser válidas también para la física clásica. A velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz, volveremos a obtener los conceptos y las definiciones clásicas.