Teoría de la Relatividad Especial

En 1887 los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley llevaron a cabo uno de los experimentos más importantes de la historia de la ciencia. Trataban de demostrar que la velocidad de la luz dependía de si ésta iba en el mismo sentido que la Tierra al girar alrededor del Sol o de si iba perpendicular a su órbita. Esperaban hallar una diferencia de velocidad, semejante por analogía, al hecho de que la velocidad de una persona que camina dentro de un tren en marcha es mayor que la de una persona que lo hace a lo largo de la vía férrea, a los ojos de una persona que está al lado de ésta. Hallaron de hecho que la velocidad de la luz es la misma en ambos casos.

La posible obtención de un resultado tan poco probable al tratarse de la luz se había deducido unos años antes del experimento de Michelson-Morley, de la descripción hecha por James Clerk Maxwell en la década de 1860 de las leyes del electromagnetismo. En ellas, la velocidad de la luz surge como una constante cuyo valor no depende de la velocidad de la persona que trata de medirla.

En respuesta a los resultados de Michelson y Morley, se hicieron intentos dentro del marco de la física convencional newtoniana de explicar aquel comportamiento, aparentemente anómalo de la luz. Pero la explicación adecuada no surgió a la luz hasta que Einstein publicó su teoría especial.

Lo que Einstein hizo fue tomar el resultado de Michelson y Morley al pie de la letra, empleándolo para demostrar que la idea newtoniana de que las mediciones del tiempo y del espacio son independientes del observador es incorrecta: el espacio y el tiempo no son conceptos absolutos. En la nueva concepción einsteniana del espacio y el tiempo, éstos no están separados, sino que son parte de la entidad espacio-tiempo, de ámbito más general. Empleando esa concepción, no sólo hay que especificar la posición de un objeto, es necesario también incluir en ella el tiempo, obteniendo así no un punto dentro de las tres dimensiones del espacio, sino un suceso situado dentro de las cuatro dimensiones del espacio-tiempo.

Habiendo perdido la noción de que los intervalos de espacio y tiempo son los mismos para todos los observadores, tenemos ahora dos nuevas cantidades «invariantes» (constantes). La primera, la velocidad de la luz; la segunda el intervalo espaciotemporal. Este último está definido por el cuadrado del intervalo del tiempo y el espacio combinados de un modo especial, que incluye un tratamiento similar del espacio y el tiempo.

Empleando esas dos constantes, podemos deducir las nuevas leyes de transformación que dan las coordenadas de un cuerpo que se mueve con respecto de otro. Partiendo de esas transformaciones (obtenidas matemáticamente por el físico holandés Hendrik Lorentz), podemos ver que las transformaciones «lógicas» (deducidas varios siglos antes por Galileo) concuerdan de hecho perfectamente con observaciones hechas sólo a velocidades muy inferiores a la de la luz. Aunque son aceptables en la gran mayoría de las situaciones, resultan del todo inadecuadas cuando se trata de velocidades cercanas a la de la luz. A esas velocidades, las transformaciones de Lorentz predicen que empiezan a observarse algunos fenómenos muy desusados.

El experimento de Michelson y Morley en 1887 (arriba) trataba de demostrar que la velocidad de la luz al moverse con la órbita de la Tierra (rayo azul) era mayor que la misma al moverse en perpendicular a dicha órbita (rayo rojo). Haciendo que los rayos interfiriesen cualquier diferencia de velocidad, se traduciría en un desplazamiento de las franjas de interferencia vistas por el interferómetro. No se produjo desplazamiento alguno, lo que indicaba que no había tal diferencia de velocidades.