La relatividad especial
Continuamos con nuestra serie, y hoy, tercer episodio, tercer artículo: la relatividad especial. En 1905, y no solo por ser el año milagroso de Einstein, se trata también de una revolución conceptual. Con este artículo fundacional, transformó nuestra manera de ver el mundo y de comprenderlo. Con un razonamiento muy contraintuitivo, que no fue aceptado de inmediato por la comunidad científica, su propuesta es radical. Lo que llamamos espacio y lo que llamamos tiempo deben ser profundamente reformulados. Einstein sienta así las primeras bases de la noción de espacio-tiempo y ofrece un marco conceptual totalmente inédito, cuya trascendencia sigue sorprendiendo hoy en día.
Contexto historico
Al alba del siglo XX, la física parecía estar completa de forma impresionante, pero una línea de fractura la atravesaba de lleno. De un lado, se encontraba la mecánica newtoniana, basada en el espacio absoluto, el tiempo absoluto y la regla simple de que las velocidades se suman. Del otro, la electrodinámica de Maxwell, cuyas ecuaciones de campo predecían que las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío con una velocidad fija c, independiente del movimiento de la fuente. Ambas imágenes no podían ser correctas al mismo tiempo, pero en 1900 la mayoría de los físicos seguía confiando en que podrían reconciliarse sin alterar los cimientos establecidos por Newton y Galileo. Esa confianza se apoyaba en el concepto de éter: un medio que se pensaba transportaba la luz de la misma forma que el aire transporta el sonido.
Detectar el movimiento a través del éter se convirtió en un objetivo experimental central. El intento más famoso fue el del interferómetro de Michelson y Morley en 1887. No observaron nada. Ese resultado nulo no fue el primer experimento fallido para detectar el éter, pero sí el más preciso.
Para salvar la idea del éter, los teóricos introdujeron nuevas hipótesis. En 1889, el físico irlandés George Francis FitzGerald sugirió que los cuerpos materiales se contraen en la dirección del movimiento; el físico neerlandés Hendrik Lorentz desarrolló esta idea cuantitativamente en 1892 y de nuevo en 1904. Las matemáticas de Lorentz, que luego se llamarían transformaciones de Lorentz, preservaban las ecuaciones de Maxwell, pero seguían tratando las coordenadas transformadas como simples artificios contables: detrás de ellas permanecían un tiempo absoluto inalterado y un éter invisible.
Henri Poincaré también exploraba esa misma tensión. En su obra Science et Hypothèse de 1902 y especialmente en una famosa conferencia en Saint Louis en 1904, elevó lo que llamó el principio de relatividad al rango casi de axioma: las leyes de la física podrían ser exactamente las mismas para cualquier observador en movimiento uniforme. Poincaré reconoció que las transformaciones de Lorentz formaban un grupo matemático, refinó su estructura y señaló que todos los experimentos relacionados con el éter podían explicarse si este fuera, en principio, indetectable. Sin embargo, incluso él mantuvo el éter como un constructo conveniente en segundo plano; estaba demasiado entretejido en la física del siglo XIX como para descartarlo por completo.
Ese era el ambiente científico preciso en el que Einstein, trabajando por las noches en la Oficina de Patentes de Berna, comenzó a preguntarse si las contradicciones no surgían de experimentos fallidos, sino de las propias suposiciones sobre el espacio y el tiempo que Newton había formulado y que todos habían aceptado desde entonces. Su artículo de 1905 demostraría que, al abandonar la simultaneidad absoluta y tratar la velocidad de la luz como una constante universal para todos los observadores inerciales, era posible mantener intacta la teoría de Maxwell, prescindir por completo del éter y derivar las transformaciones de Lorentz, ahora con un significado físico claro, en lugar de imponerlas como una solución de emergencia.
Recepción
El artículo fue recibido inicialmente con silencio, pero ese silencio fue roto, el año siguiente, por la voz más prestigiosa de la física alemana: Max Planck. Planck inicio conferencias sobre la teoría en Berlín. Laue, Mosengeil y Born abordaron el tema en el seminario de Planck.
El entusiasmo, sin embargo, distaba de ser universal. En diciembre de 1905, Walter Kaufmann anunció que sus nuevas mediciones de la desviación de los rayos β contradecían la ley de la masa en función de la velocidad. Este debate impulsó a los experimentadores a alcanzar una mayor precisión. En 1908, Alfred Bucherer obtuvo datos que coincidían con la teoría de Einstein.
Mientras se desarrollaba esta lucha en los laboratorios, la relatividad ganó un poderoso aliado conceptual. El 5 de noviembre de 1907, Hermann Minkowski presentó la idea de que las transformaciones de Lorentz describen rotaciones rígidas en un continuo de cuatro dimensiones, y en su conferencia de Colonia del 21 de septiembre de 1908 proclamó que
De ahora en adelante, el espacio por sí solo y el tiempo por sí solo se desvanecen en meras sombras.
Su formalismo geométrico hizo transparente la cinemática, atrajo a los matemáticos y proporcionó el lenguaje con el que Einstein construiría más tarde la relatividad general.
Fuera de Alemania, la aceptación fue más lenta. En Francia, las reivindicaciones de prioridad de Poincaré complicaron la recepción. Poincaré había efectivamente publicado sobre el principio de relatividad y sobre las transformaciones de Lorentz antes de 1905, y algunos científicos franceses consideraban que el trabajo de Einstein no era suficientemente novedoso o que no daba el debido reconocimiento a Poincaré. Esta rivalidad, de carácter nacionalista o intelectual, provocó dudas o resistencias a la hora de adoptar la versión de la teoría propuesta por Einstein en Francia, a pesar de que sus implicaciones eran más radicales.
En Gran Bretaña, los físicos matemáticos G. F. Cunningham y E. T. Whittaker explicaban las nuevas ideas hacia 1910, pero muchas figuras de peso, como J. J. Thomson y Joseph Larmor, se mantuvieron al margen hasta después de la Primera Guerra Mundial. Al otro lado del Atlántico, la relatividad entró en las revistas estadounidenses principalmente a través del círculo de Robert Millikan en Chicago.
Para la primera conferencia Solvay de 1911, la teoría especial se situaba en el centro del discurso teórico, y la cuestión ya no era si la cinemática de Einstein era correcta, sino hasta qué punto podían extenderse sus principios.
Consecuencias
En la década que siguió, todos los dominios relacionados con el movimiento, la energía o la radiación tuvieron que ser reconstruidos sobre esta nueva base, y en una generación la teoría había transformado la tecnología, la filosofía e incluso la estructura de las instituciones científicas.
El primer impacto fue interno a la física: el abandono del éter y la sustitución de la cinemática galileana por la lorentziana obligaron a los teóricos a reinterpretar todas las cantidades dinámicas como componentes de cuadrivectores que viven en un único continuo de cuatro dimensiones. La geometrización propuesta por Hermann Minkowski entre 1907 y 1908 mostró que los campos eléctricos y magnéticos no son entidades separadas, sino diferentes manifestaciones de un único tensor electromagnético.
La unión de la relatividad especial con la mecánica cuántica dio lugar a la teoría cuántica de campos, que desembocó finalmente en el Modelo Estándar. El diseño de aceleradores, los sistemas de temporización de detectores e incluso la radiación sincrotrón que alimenta las fuentes de luz modernas dependen de la dinámica relativista de haces; sin el factor de Lorentz no existirían ni el CERN ni el SLAC.
La astrofísica también fue transformada. Las fórmulas relativistas del efecto Doppler y de la aberración convirtieron los desplazamientos espectroscópicos al rojo en herramientas precisas para medir velocidades, abriendo el camino al descubrimiento de la expansión cósmica por parte de Hubble. Las lluvias de rayos cósmicos, las ondas de choque de supernovas y los chorros de núcleos galácticos activos requieren la cinemática relativista para ser modelizados.
Culturalmente, el colapso de la simultaneidad absoluta desestabilizó doctrinas filosóficas largamente establecidas. La durée de Bergson, el tiempo narrativo elástico de Proust y las perspectivas fragmentadas de la pintura cubista reflejaban la nueva física, aunque a veces de forma caricaturesca.
En Les Peintres cubistes (1913), Guillaume Apollinaire hablaba de los cubistas evocando una “cuarta dimensión” que les permitía representar “momentos sucesivos del tiempo en una misma imagen”.
Desde el punto de vista institucional, la relatividad modificó el mapa del prestigio científico. Alemania se convirtió en el epicentro de una nueva cultura teórica, atrayendo talento de todas partes. La relatividad adquirió un aura pública, reconfiguró las prioridades de financiación e inspiró las primeras conferencias multinacionales dedicadas exclusivamente a la física teórica (Solvay 1911).
R. Goldschmidt, M. Planck, H. Rubens, A. Sommerfeld, F. Lindemann, M. de Broglie, M. Knudsen, F. Hasenöhrl, G. Hostelet, E. Herzen, J. H. Jeans, E. Rutherford, H. Kamerlingh Onnes, A. Einstein, P. Langevin.
W. Nernst, M. Brillouin, E. Solvay, H. Lorentz, E. Warburg, J. Perrin, W. Wien, M. Curie, H. Poincaré.