Kitabı oku: «La música del universo»
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Portada
Copyright
Este libro (y esta colección)
Introducción
1. La gravedad de acuerdo con Einstein
De Aristóteles a Newton
Relatividad especial
Relatividad general: una nueva teoría de la gravedad
El éxito de la teoría de Einstein
Einstein en la Argentina
La teoría del Big Bang
2. La larga y difícil historia de las ondas gravitacionales
Las ondas en la relatividad general
Las ondas en la física
Las ondas en la gravedad
Cómo se producen las ondas gravitacionales
Einstein cuestiona las ondas gravitacionales
La marea baja de la relatividad general
3. El origen astrofísico de las ondas gravitacionales
La vida y la muerte de las estrellas
Masas pequeñas: enanas blancas
Masas medianas: estrellas de neutrones
Masas extremas: agujeros negros
Agujeros negros y púlsares: el renacimiento de la relatividad
Las fuentes astrofísicas de ondas gravitacionales
4. La construcción de detectores de ondas gravitacionales
Las minúsculas ondas gravitacionales
Detectores de barras
Detectores interferométricos
Historia de los detectores interferométricos de ondas gravitacionales
El enemigo: ruido en los detectores
Detecciones ¡por fin!
5. Las primeras detecciones
La primera detección
La segunda detección: GW151226
Más detecciones
¿Qué aprendimos con las detecciones?
6. La astrofísica del día después
La red de detectores
La astronomía con mensajeros múltiples
El misterio de los rayos gamma venidos del espacio
Todo lo que reluce… ¿viene del choque de dos estrellas de neutrones?
La velocidad de expansión del universo
La astronomía a partir de O3
7. El futuro
Detectores terrestres
Detectores de frecuencias más bajas
Epílogo
Agradecimientos
Lidia Díaz
Mario Díaz
Gabriela González
Jorge Pullin
LA MÚSICA DEL UNIVERSO
Qué son la ondas gravitacionales y por qué cambiaron nuestra forma de entender el cosmos
La música del universo / Lidia Díaz… [et al.].- 1ª ed.- Buenos Aires: Siglo Veintiuno Editores, 2021.
Libro digital, EPUB.- (Ciencia que ladra, serie Mayor // dirigida por Diego Golombek)
Archivo Digital: descarga
ISBN 978-987-801-054-0
1. Astrofísica. 2. Astronomía. 3. Agujeros Negros. I. Díaz, Lidia.
CDD 520.1
© 2021, Siglo Veintiuno Editores Argentina S.A.
<www.sigloxxieditores.com.ar>
Diseño de portada: Pablo Font
Digitalización: Departamento de Producción Editorial de Siglo XXI Editores Argentina
Primera edición en formato digital: febrero de 2021
Hecho el depósito que marca la ley 11.723
ISBN edición digital (ePub): 978-987-801-054-0
Este libro (y esta colección)
Haced como ellos:
llenaos de infinito,
abrid las ventanas al espacio.
David Jou i Mirabent, “Einstein y las ondas gravitatorias”
Más cerca de la tierra se te exige
que corras más, y no queda otra fuga
que ir a parar donde el destino fije.
Miguel de Unamuno, “La ley de la gravedad”
El récord del experimento más largo del mundo lo tiene el de la gota de brea: en 1927, el profesor Thomas Parnell calentó una muestra de esta sustancia y la colocó dentro de un embudo de vidrio con el extremo tapado. Tres años más tarde, una vez que la brea llegó a temperatura ambiente, el embudo fue destapado y… de nuevo, a esperar un buen rato. Para sorpresa de todos, esta brea con toda la apariencia de ser un sólido es en realidad un fluido extremadamente viscoso (cien mil millones de veces más viscoso que el agua). La primera gota tardó unos ocho años en caer y, en los noventa años que lleva el experimento, cayeron solo otras ocho más: sí, un total de nueve gotas de brea. Lo curioso es que el profesor Parnell ya no está para verlas, tampoco el segundo “guardián del experimento” y la cuestión ya está en manos de una tercera generación de pacientes breólogos.
En 1794, el joven físico John Dalton presentó su primer trabajo científico, en el que comentaba sus “anomalías visuales”, esas que le impedían identificar los colores. Con el tiempo se fue convenciendo de que dentro de su ojo debía de haber una tintura azul, que absorbía de forma selectiva algunos colores. Tan seguro estaba de esta idea que, con el propósito de comprobarla, dejó instrucciones para que a su muerte le sacaran los ojos. Obediente, en 1844 su médico estudió los ojos del amigo recién fallecido, pero no encontró ningún rasgo azul que confirmara esa teoría. Incluso hubo quienes miraron (muy literalmente) a través de los ojos de Dalton: nada de nada, el mundo parecía perfectamente normal. Entonces llegaron a la conclusión de que lo que ahora conocemos como “daltonismo” no se debía a cambios en las tinturas ópticas, sino a lo que en la época denominaron “alguna anomalía en el cerebro”. Pero el buen Dalton ya no estaba para enterarse y asimilarlo.
En 1915, pizarrón y tiza mediante, Albert Einstein predijo que algunos procesos masivos del universo deberían causar ondulaciones en el espacio-tiempo, como si fueran arrugas en una enorme sábana que cubre el cosmos. De alguna manera, esta predicción se deriva de su teoría general de la relatividad: los objetos muy masivos distorsionan este espacio-tiempo, lo cual es percibido por nosotros, los mortales, como gravedad. Entonces, los grandes choques que ocurren en algún lugar del universo dejarían huellas que viajan y, eventualmente, llegan hasta la Tierra. El problema, razonó mister o Herr Albert, es que esas huellas son muy pero muy pequeñas; tanto que no pueden ser percibidas ni por los más sensibles instrumentos terrestres.[1] Pero lo predicho predicho estaba, esperando paciente en los pizarrones de los físicos hasta que se inventaran los ojos y oídos que permitieran comprobar o refutar el vaticinio. Solo que Einstein ya no estaría para disfrutarlo (o para retorcerse si el resultado no sonriese tanto a su hipótesis).
Estas tres historias son ejemplos de lo maravillosa que puede ser la aventura de la ciencia. Debemos saber, y lo demás no importa nada. Ni que estemos muertos, ni que pasen cien años hasta que la tecnología esté madura para retomar nuestras ideas: lo importante es comprender el universo. La empresa que se narra en estas páginas es quizá una de las epopeyas más fascinantes de la física moderna: allí hay una hipótesis, y nos toca ser pacientes hasta inventar la forma de demostrarla. En palabras de Marcel Proust, “la auténtica travesía de descubrimiento no consiste en buscar paisajes nuevos, sino en tener ojos nuevos”, y fueron esos ojos nuevos, los de los interferómetros de LIGO, los que permitieron encontrar lo que se sospechaba debía estar allí. Eso no es todo: tenemos el privilegio de escuchar esta aventura relatada por sus protagonistas, científicos y científicas que estuvieron allí cuando se construyó el laberinto que sería los oídos del experimento, y también alguien gritó “¡tierra!” o “¡eureka!” (o lo que hayan gritado cuando vieron esas agujas moverse al compás de la música del universo).
Sí: con paciencia, cálculos y el equipamiento más avanzado que alguna vez se haya construido, nuestros héroes pudieron escuchar los ecos de lo que Einstein había predicho un siglo antes. Un choque de agujeros negros que llegaba hasta nosotros desde los límites del tiempo. Una aguja en un universo. Después vendrían las noticias, las misteriosas conferencias de prensa, el Premio Nobel y todo lo demás, pero, sobre todo, la emoción de escuchar el cosmos… y entenderlo. Y en estos años que pasaron desde el descubrimiento de la primera arruga cósmica (confirmación de las ondulaciones en el espacio-tiempo que preveía el gran Albert), aparecieron muchas otras: un nuevo universo desplegado frente a nuestras narices (o bien, frente a los instrumentos de detección).
Claro que esta historia no comenzó en 2016, con el anuncio de las ondas gravitacionales. Mario Díaz, Gabriela González, Jorge Pullin y Lidia Díaz, con corazón argentino y ciencia de excelencia internacional, hacen desfilar a todo el elenco que nos llevó hasta allí: Aristóteles, Newton, Galileo, Einstein y, por supuesto, los propios autores de este hermoso texto que, quizá sin saberlo, nos están contando su vida, el amor y la amistad que los hicieron estar en el lugar adecuado, en el momento justo. Descubramos su historia juntos.
Esta colección de divulgación científica está escrita por científicos que creen que ya es hora de asomar la cabeza por fuera del laboratorio y contar las maravillas, grandezas y miserias de la profesión. Porque de eso se trata: de contar, de compartir un saber que, si sigue encerrado, puede volverse inútil.
Ciencia que ladra… no muerde, solo da señales de que cabalga.
Diego Golombek
[1] Y, como se cuenta en este libro, el propio Einstein fue el primero en dudar sobre la existencia de estas ondas, lo que generó una comedia de enredos, papers y contrapapers.
Introducción
El 11 de febrero de 2016, se anunció un descubrimiento que sacudió al mundo: se habían detectado por primera vez ondas gravitacionales. La noticia se hizo pública en el Club Nacional de Prensa de Washington, DC, donde la colaboración científica LIGO comunicó el descubrimiento. Esas ondas habían sido predichas por Albert Einstein en 1916 y constituyen una nueva manera de estudiar el universo. Desde distintos roles, Gabriela, Jorge, Lidia y Mario –l@s autor@s de este libro– participamos con emoción en el anuncio oficial de este descubrimiento.
Se podría decir que esta historia empezó hace más de mil millones de años, cuando dos agujeros negros chocaron; o hace cuatrocientos años, cuando Galileo miró los cielos con un telescopio; o hace cien años, cuando Einstein publicó que su teoría del espacio-tiempo predecía ondas gravitacionales; o hace cincuenta años, cuando se empezaron a imaginar detectores que pudieran medir esas ondas; o… No importa cuándo empezó la historia, lo importante es que ese día comenzó una nueva manera de hacer astronomía: no solo recibimos luz desde las estrellas, sino que ahora se le agregaba un “sonido”. A las imágenes que obtenemos del universo con nuestros telescopios ahora se les puede sumar otra dimensión sensorial, como cuando al cine mudo se le agregó la banda sonora. ¡Ahora podemos escuchar la música del universo!
Contaremos la historia de cómo fue posible que descubriéramos y entendiéramos las ondas gravitacionales, y compartiremos con ustedes anécdotas y experiencias de la gente que hizo posible este logro.
Pero antes de empezar con temas sesudos como la teoría de Einstein, queremos que nos conozcan un poco.
Mario y Lidia Díaz se habían mudado de Buenos Aires a la ciudad de Córdoba. Ambos trabajaban en la fábrica de automóviles Renault, Lidia en las oficinas y Mario era mecánico de mantenimiento en las líneas de ensamblaje primero, y luego –cuando comenzó en 1978 a estudiar la carrera de Física– en el turno de la noche, en el mantenimiento de la matricería de forja. Ambos estudiaron en la Universidad Nacional de Córdoba (UNC), donde Lidia se licenció en Ciencias de la Educación. Mario hizo su investigación con el grupo que estudiaba la teoría de Einstein en la Facultad de Matemática, Astronomía y Física, y recibió el primer doctorado de Física Teórica otorgado en la UNC. En esos trabajos incluyó a un estudiante de doctorado del Instituto Balseiro de Bariloche, Jorge Pullin, y a una estudiante de licenciatura de Córdoba, Gabriela González. Jorge y Gaby se enamoraron (probando que –contrariamente a lo que dijo Einstein– su teoría de la gravedad sí tiene la culpa de que alguna gente caiga en los brazos del amor). Estas dos parejas continuaron la amistad de por vida.
Gaby y Jorge se casaron en 1988, y un año después se mudaron a los Estados Unidos, ella a empezar un doctorado y Jorge con una beca posdoctoral, ambos en física. En la Universidad de Syracuse, Gaby hizo sus estudios con Peter Saulson –un profesor dedicado al proyecto LIGO, cuyo financiamiento recién empezaba– y a ella le encantó la idea de medir lo que hasta entonces solo se había calculado. En 1995 terminó su tesis y trabajó un par de años en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) con el futuro Premio Nobel Rainier Weiss, mientras Jorge calculaba, entre otras cosas, las ondas gravitacionales que producían dos agujeros negros después de fusionarse.
Como es tristemente común en la vida académica en los Estados Unidos –y en muchos otros lugares–, Jorge y Gaby pasaron varios años (¡seis!) viviendo por trabajo en lugares distintos. Durante parte de ese período compraron una casa rodante y la estacionaron a mitad de camino entre State College, Pensilvania –donde estaba Jorge– y Boston –donde estaba Gaby– (si no, eran diez horas de auto). Finalmente siguieron una vida juntos como profesor@s primero en la Universidad Estatal de Pensilvania y luego en la de Luisiana, cerca de uno de los observatorios LIGO que describiremos luego en detalle. Como profesora e investigadora en Luisiana, Gaby y su grupo colaboraron con cientos de colegas para disminuir el ruido instrumental en los observatorios para poder detectar ondas gravitacionales, que se consiguió el 14 de septiembre de 2015. En ese momento, Gaby era la líder y vocera de la colaboración científica de LIGO, y le tocó organizar la validación del descubrimiento y ser parte del anuncio, aquel 11 de febrero de 2016.
Mario y Lidia también se habían mudado a los Estados Unidos, un año antes que Gaby y Jorge. Mario obtuvo una beca posdoctoral para trabajar en la Universidad de Pittsburgh con el grupo dirigido por Ted Newman, un físico reconocido mundialmente por sus contribuciones a la teoría de la relatividad general y de agujeros negros. Cuando su beca se terminó, dado que Lidia estaba cursando un doctorado en literatura latinoamericana, Mario buscó un puesto académico en los Estados Unidos. En 1996 fue contratado por la Universidad de Tejas en Brownsville (hoy Universidad de Texas de El Valle del Río Grande). Se trataba de una institución nueva en un área de los Estados Unidos con mayoría de población hispana y bilingüe. Inspirado por los trabajos de Gaby en LIGO y de Jorge con sus estudios de las fuentes de radiación gravitacional, Mario decidió formar un grupo asociado a la colaboración científica LIGO. Su trabajo fue financiado por la NASA primero y luego por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) –el equivalente al Conicet en los Estados Unidos–, permitiendo la creación del Centro de Astronomía de Ondas Gravitacionales en Tejas en 2003. Estas eran épocas en las que muy poca gente en el ambiente científico veía la detección de las ondas gravitacionales como una posibilidad cercana en el tiempo.
Lo que sigue es la historia del arduo y difícil camino hacia esa detección, el descubrimiento de un fenómeno de la naturaleza, resultado de la evolución y muerte de las estrellas, y medido por instrumentos superprecisos construidos gracias a la creatividad, el ingenio y el trabajo en equipo de muchos seres humanos.
1. La gravedad de acuerdo con Einstein
Las ondas gravitacionales, o la música del universo que describimos en este libro, son una consecuencia de la teoría de la relatividad general de Einstein. La teoría suena complicada (y lo es), pero esencialmente es una teoría que explica la gravedad. En la escuela aprendemos una ley universal de la gravedad de acuerdo con Newton (¿se acuerdan?). La llamamos universal –y lo es también la teoría de Einstein– porque explica el movimiento de objetos en la Tierra, de planetas, de estrellas y aun de galaxias.
La gravedad como fuerza universal no comenzó a ser entendida sino hasta que Isaac Newton la estudió seriamente en el siglo XVII. Y no porque no se hubiera tratado de entender antes, sino porque su desarrollo requirió muchos años y mucha dedicación de grandes pensadores. Vale la pena dedicar unas páginas a esta historia para comprender mejor sus alcances y los desafíos que encaró la física de los siglos XX y XXI.
De Aristóteles a Newton
Desde que empezó a deambular por la Tierra, el ser humano buscó regularidades y patrones predecibles en la naturaleza que lo rodeaba. Pero fue Aristóteles el primer pensador que inventó una teoría para explicar el universo, hace dos mil cuatrocientos años.
Según la física de Aristóteles, los fenómenos que sucedían en la Tierra eran muy distintos a los que acontecían en el cielo: este último –que era el ámbito donde habitaban los planetas y el Sol moviéndose alrededor de la Tierra– era inmutable y eterno. Uno de los propósitos fundamentales de la física de Aristóteles era explicar el movimiento de los objetos terrestres.
Cualquier objeto o cuerpo terrestre se consideraba conformado por la combinación de cuatro elementos básicos: aire, fuego, agua y tierra. Dependiendo de su elemento predominante, el objeto se movería de manera diferente; por ejemplo, los cuerpos más pesados, como una piedra –que tiene un componente mucho mayor de tierra que de agua, fuego o aire–, caen más rápido que los más livianos, como una hoja –que debía estar compuesta mayormente por agua–.
Aristóteles no explicaba cuantitativamente el fenómeno mismo de la caída, pero afirmaba que el movimiento se debía a la tendencia de los objetos a permanecer en su lugar “natural”. Si se apartaba un objeto del suelo, este “querría” regresar allí, dado que su estado normal era estar quieto en él; según Aristóteles, el reposo era el estado natural de todos los cuerpos. Este es un concepto intuitivo, pero veremos que no es cierto.
En el caso de los objetos celestes –los cinco planetas que se observan a simple vista: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno, además de la Luna y el Sol–, los modelos aristotélicos de movimiento eran muy complicados y de muy limitada utilidad.
La física de Aristóteles no permitía hacer predicciones: por ejemplo, si se arrojaba una piedra al aire, no se podía predecir con exactitud donde caería o cuál sería su trayectoria en el aire. Predecir –y poder luego verificar– el resultado de un experimento es el método de la ciencia moderna; predecir el efecto de drogas para poder curar enfermedades, por ejemplo. O saber que si se lanza un cohete para que dé vueltas a la Luna se debe hacer con cierta inclinación y velocidad.
Unos dos mil años después de Aristóteles, Europa atravesó por una verdadera revolución en las artes y las ideas: el Renacimiento. Como parte de esa revolución, la física se reformuló de manera drástica como una ciencia basada en predicciones comprobadas por experimentos. Durante este período Galileo Galilei, en Italia, formula una nueva física distinta a la aristotélica, con la que se podía explicar la trayectoria de un objeto cerca de la superficie terrestre (como el de una piedra que se deja caer desde lo alto de la Torre de Pisa). Y casi al mismo tiempo, Johannes Kepler, en Alemania, utiliza las cuidadosas observaciones de Tycho Brahe y crea leyes que predicen el movimiento de los planetas como trayectorias elípticas alrededor del Sol.
Ambos científicos –Galileo Galilei con su estudio de la trayectoria de los objetos en caída libre y Johannes Kepler con sus leyes sobre el movimiento de los planetas– allanaron el camino para que Isaac Newton, casi un siglo después, pudiera unificar la física de los objetos terrestres con la física del movimiento de los planetas. La rama de la física que explica el movimiento de los cuerpos se denomina “mecánica” y las leyes que describen ambos tipos de movimiento son las mismas. Newton fue un genio fuera de serie: no solo explicó la gravedad, sino que al mismo tiempo elaboró una teoría del movimiento. Y al hacerlo, debió también desarrollar una nueva matemática, que es la que usamos hoy en día.
Las leyes de Newton fueron revolucionarias; por ejemplo, a diferencia de Aristóteles, postulaba que el estado natural de los cuerpos no es el reposo, sino el movimiento a velocidad constante (y en línea recta). Lo que cambia ese estado natural son “fuerzas”, que producen cambio de velocidad, o sea, “aceleración”. Si conocemos las fuerzas que actúan sobre un objeto, podemos predecir su movimiento. Y la fuerza que actúa en los planetas para que se muevan en elipses y no en línea recta es la fuerza de la gravedad: una masa “pequeña” como la Luna, gira alrededor de la Tierra –que es mucho más masiva– porque la Tierra ejerce una fuerza de gravedad sobre aquella. Pero la gravedad de la Luna también tiene un efecto sobre la Tierra: a eso se deben las mareas, por ejemplo. Y por si fuera poco, la misma ley de gravedad es la que explica el movimiento de la piedra cayendo desde lo alto de la Torre de Pisa: es atraída por la gravedad de la Tierra.
Como dijimos, Newton tuvo que inventar una nueva matemática para su teoría de la gravedad: la llamamos “cálculo diferencial” (¡no se asusten!). Estamos acostumbrados a los cálculos algebraicos, en los que usamos sumas, restas, multiplicaciones, divisiones y algunas otras operaciones. Una ecuación algebraica es la que usa estas operaciones.
En las ecuaciones hay coeficientes –que son cantidades conocidas– y variables –que son las que se quiere resolver–. Un ejemplo simple de ecuación es 5 = x + 3, en la cual 5 y 3 son coeficientes y x es la variable. La solución de la ecuación es el valor del término desconocido, en este caso, x = 2. Aquí la solución es una sola, pero a veces hay varias soluciones, y a veces solo podemos encontrar soluciones con computadoras.
Pero Newton tuvo que crear un nuevo tipo de ecuaciones para describir cantidades no constantes, como el movimiento de una piedra cayendo, o el movimiento de un planeta. Estas ecuaciones se llaman “diferenciales” porque permiten calcular las diferencias de valor de las cantidades (como la posición) en distintos momentos (o sea, como función del tiempo).
La mayoría de las ecuaciones de la física son ecuaciones diferenciales. Esta formulación de la mecánica permite predecir la evolución de un conjunto de objetos, como el movimiento de un planeta alrededor del Sol. Si conocemos la posición del planeta en un instante determinado, resolviendo las ecuaciones diferenciales de Newton podemos predecir su posición en cualquier momento futuro.
El éxito de esta teoría ha sido extraordinario y todavía se usa, a menos que los objetos se muevan muy rápido o sean muy masivos (entonces recurrimos a Einstein… ya llegaremos ahí). Un ejemplo es la capacidad de predecir a lo largo del año las posiciones relativas del Sol, la Tierra y la Luna, y de esa manera pronosticar las mareas y los eclipses de Sol y de Luna.
A finales del siglo XVIII varios astrónomos observaron que las órbitas de Urano, Saturno y Júpiter eran ligeramente distintas de las órbitas que predecían las leyes de Newton.
La diferencia podía explicarse suponiendo la existencia de otro planeta ubicado aún más lejos que los que se observaban, y teniendo en cuenta la fuerza de gravedad de este. La efectividad de la teoría newtoniana condujo al descubrimiento de ese planeta en 1846: era Neptuno. De manera similar ocurrió con Plutón, cuando a principios del siglo XX se predijo su existencia usando las leyes de Newton y se lo pudo observar.
Los logros de la mecánica celeste newtoniana fueron espectaculares. Sin embargo, la órbita de Mercurio –el planeta más cercano al Sol– exhibía un comportamiento que dicha mecánica no podía explicar. Esta órbita se había observado con mucha precisión, y el punto más cercano de esta al Sol mostraba un pequeño desplazamiento que se acumulaba con el tiempo. Ese desplazamiento se denomina “precesión del perihelio” (ese es el nombre que recibe el punto de la órbita de un planeta en el que este se encuentra más cerca del Sol –helios en griego significa precisamente “Sol”–). La física de Newton, que fue tan exitosa para predecir la existencia de planetas que nunca se habían observado, revelaba sus limitaciones para explicar esta aparente “anomalía”.
La física moderna y la mecánica de Kepler, Galileo y Newton dejaban el siglo XIX con una gran incógnita astronómica sin explicar. El nuevo siglo se abría a una serie de descubrimientos que revolucionaron la física, uno de ellos fue la formulación de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein. El desarrollo de todas las consecuencias de esta teoría llevaría a la creación de una nueva teoría de la gravedad.
Relatividad especial
La relatividad “normal” (no especial) es parte de las contribuciones de Galileo para explicar las diferencias que perciben en el movimiento de un mismo objeto dos observadores que se mueven uno con respecto al otro. Pensemos en el siguiente ejemplo: en un aeropuerto María y Juan se desplazan juntos sobre una cinta móvil (mecánica). Ambos están caminando al mismo ritmo en la cinta; María observa que Juan no se mueve con respecto a ella, obviamente, porque están juntos. Y si nosotros estuviéramos quietos en el aeropuerto, observándolos, veríamos que ambos se mueven a igual velocidad. María decide bajarse de la cinta y caminar junto a esta en la misma dirección que Juan. Los dos siguen dando pasos a igual velocidad, pero Juan comienza a adelantarse en relación con María. Esta última observa que Juan está ahora moviéndose hacia adelante más rápido que ella (los dos caminan al mismo paso, pero María observa a Juan moverse también a la velocidad de la cinta). Las velocidades de Juan y María no son absolutas, son “relativas” con respecto a cada uno de ellos como observadores.
Para nosotros, que también los estamos observando pero cómodamente sentados, ahora Juan se mueve más rápido que María, porque a la velocidad de su paso (que es igual a la de María caminando fuera) se suma la velocidad de la cinta. María, Juan y nosotros –tod@s– percibimos velocidades distintas, porque estas son relativas a la propia velocidad del observador. Por ejemplo, si Juan no tuviera indicios del movimiento de la cinta y no observara los alrededores, percibiría a María como si ella estuviera caminando hacia atrás a una velocidad igual a la de la cinta.
Esto se conoce como “relatividad galileana”, según la cual la velocidad de un objeto que se mueve con respecto a un sistema que también se mueve –como la cinta– se obtiene sumando la velocidad de dicho objeto a la velocidad del sistema en movimiento. Esta suma de velocidades también se usa para movimientos en distintas direcciones, por ejemplo, una persona parada en un muelle observa que desde el mástil de un barco en movimiento se deja caer una bola de hierro, y ve que esta traza una trayectoria curva que combina la caída y el movimiento hacia adelante, mientras que el lanzador parado en lo alto del mástil simplemente ve que la bola cae en línea recta al pie de este. ¿Por qué? El observador en el muelle ve la combinación de las dos velocidades: la vertical y la horizontal; pero el lanzador está inmóvil en el barco en movimiento y solo ve la velocidad vertical.
Pero esta relatividad tenía un problema cuando se aplicaba a la velocidad de la luz. Varios experimentos llevados a cabo a fines del siglo XIX mostraban que la velocidad de la luz emitida por un sistema en movimiento seguía teniendo el mismo valor, independientemente de la velocidad de su fuente. En el ejemplo del aeropuerto, si Juan mientras camina sobre la cinta encendiera una linterna, la velocidad de la luz de la linterna medida por María debería ser mayor a la que mide Juan para la misma luz. Pero los experimentos dicen que los dos van a medir exactamente la misma velocidad. O sea que las velocidades no se sumaban a la manera de Galileo. ¿Acaso este resultado tiraba por tierra la física de Galileo? No; lo que sucede es que, cuando las velocidades involucradas son bajas comparadas con las de la luz, como las de Juan y María, la relatividad galileana mantiene plena vigencia. Casi quinientos años después de Galileo, Einstein crea una nueva teoría de la relatividad para explicar este fenómeno, y de paso postula un límite de velocidad universal: nada viaja más rápido que la luz.
Por otro lado, el hecho de que la velocidad de la luz sea constante, independientemente de la velocidad de la fuente que la emite, implica que las distancias y tiempos medidos por distintos observadores no pueden ser absolutos. Observadores distintos, en movimientos relativos unos con respecto a otros, deben medir tiempos distintos y distancias distintas. La velocidad es la distancia recorrida por un objeto dividida por el tiempo que llevó recorrerla. Si la velocidad de la luz no cambia aunque la midan dos observadores que están en movimiento relativo uno respecto del otro, es porque la distancia que miden y el tiempo que transcurre es distinto para cada uno. Para que la velocidad de la luz de la linterna que porta Juan –quien se mueve sobre la cinta– sea la misma tanto para él como para María, ambos tienen que medir (y percibir) tiempos distintos y medir longitudes distintas.
Una consecuencia sorprendente de este principio es que la simultaneidad es un concepto carente de sentido absoluto: no hay un reloj que mida un tiempo universal. Dos acontecimientos que son simultáneos para un observador no lo serán para otro que se mueva respecto del primero. Nuestra intuición cotidiana no percibe estos resultados porque las velocidades con las que vivimos –ya sea la de un carro tirado por caballos o la de un auto veloz– son extremadamente pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. Sin embargo, usando los relojes más precisos de los que disponemos (relojes atómicos) ha sido posible observar, por ejemplo, la diferencia entre el tiempo medido a bordo de un avión en vuelo con respecto al tiempo medido en la Tierra.
