“Todo se resolvió en 1905, gracias a Einstein”

Imagina a una pareja de astronautas en su nave espacial alejada de todo cuerpo celeste en la inmensidad del vacío interestelar. Los motores del cohete están apagados, de modo que ellos tienen una apacible sensación de ingravidez, un ligero vértigo al que están ya acostumbrados. Saben que la discusión de si se están moviendo uniformemente o están en reposo, no tiene sentido. El movimiento uniforme es indistinguible del reposo.

Deciden pasar su tiempo libre redescubriendo las leyes de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Él es físico, y un hábil experimentador. A ella se le dan bien las matemáticas. Además, disponen en su nave de un laboratorio bien equipado, con cables, circuitos, imanes, baterías, y diversos aparatos de medición. (Lea Elon Musk en líos: denuncian que monos murieron en ensayos de sus chips cerebrales)

Entienden rápidamente que existe una propiedad de la materia que se llama carga eléctrica y que viene en dos clases: positivas y negativas. Los cuerpos con cargas eléctricas iguales, se ejercen entre sí una fuerza de repulsión, y si las cargas son opuestas, se atraen.

Luego descubren que las cargas en movimiento ejercen una fuerza adicional a la eléctrica, es la fuerza magnética. Una corriente de partículas cargadas crea a su alrededor un campo similar al de los imanes, y es capaz de alterar la dirección de una brújula o ejercer fuerzas sobre otras corrientes.

Continúan haciendo experimentos y logran determinar las intensidades de las fuerzas eléctricas y magnéticas. Ellas dependen de las distancias, de las cargas o corrientes, pero además dependen de dos constantes fundamentales cuyos valores logran determinar experimentalmente. Luego hacen un descubrimiento sensacional: el movimiento de un imán genera una corriente eléctrica en un circuito que estuviera en las inmediaciones del imán; o dicho de modo más abstracto, un campo magnético que cambie con el tiempo induce un campo eléctrico. (Lea Mercurio será visible desde la Tierra durante este fin de semana y así podrá verlo)

Discuten las posibilidades tecnológicas de este resultado, pero deciden seguir escudriñando a la naturaleza para ver qué sabe ella que ellos ignoran. Se dan cuenta de que la formulación matemática de las ecuaciones requiere un ajuste que corrige una asimetría. Corregidas las ecuaciones y orgullosos de la consistencia de las leyes que han descubierto, se dedican a jugar con ellas; es lo que suelen hacer los físicos, es decir, se dedican a torcerles el pescuezo para que hablen y digan qué saben las ecuaciones que no sea obvio a primera vista. La naturaleza habló a través de los experimentos, ahora le toca hablar a las matemáticas. Y ellas hablaron alto y claro, y las matemáticas afirmaban que un campo magnético que cambia con el tiempo, crea uno eléctrico y este, a su vez, crea uno magnético que crea uno eléctrico que crea…uff, y se produce una situación autosustentable. Las leyes evidenciaban que los campos electromagnéticos pueden viajar en forma de ondas y que la velocidad de estas ondas está encriptada en las dos constantes universales. Al meter en la calculadora los valores numéricos de estas constantes obtuvieron el valor de la velocidad de la luz: la conclusión era inevitable, la luz es una onda electromagnética.

En ese instante caen en cuenta de algo asombroso: si otro astronauta hace experimentos similares, por simetría obtendrá el mismo valor que ellos para la velocidad de la luz, así sus cohetes se estén moviendo uno respecto del otro, en otras palabras, las leyes del electromagnetismo afirman que la velocidad de la luz es una constante universal: no podremos ver un rayo de luz ni un poquito más despacio. Ni tampoco más rápido. La velocidad de la luz es una constante universal y representa una barrera que no se puede transgredir. Y esto nos pisotea la intuición; pero ni al universo ni a las leyes de la física les importa nuestra intuición. Las leyes de la física deben ajustarse a las observaciones y los experimentos y ser compatibles entre ellas. La física de Newton permite velocidades arbitrariamente altas y, por tanto, es incompatible con el electromagnetismo, y esa incompatibilidad debió ser resuelta.

Naturalmente que las cosas no ocurrieron en la historia real de manera tan simple como en nuestra historia ficticia. Las tensiones entre las ecuaciones del electromagnetismo y las de la mecánica de Newton crearon una gran crisis en la física a finales del siglo XIX y comienzos del XX; los avances de la ciencia suelen ocurrir en un mar de preconcepciones, y prejuicios.

Todo se resolvió en 1905 cuando el joven Einstein tuvo el talento y la osadía de proponer que la velocidad de la luz es independiente de la velocidad entre la fuente y el observador y modificó la mecánica de Newton para hacerla compatible con las leyes electromagnéticas. El resultado es la relatividad especial.

Lo demás es historia; de allí a E = mc2 y a la energía nuclear, a la existencia de antimateria, a las ondas gravitacionales, la tomografía de positrones y electrones, la expansión del universo o los agujeros negros, pero eso es otro cantar.

*Profesor de Física de la Universidad Industrial de Santander. - Realizador de los podcast de Astronomía Al Aire

@hectorrago

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Imagina a una pareja de astronautas en su nave espacial alejada de todo cuerpo celeste en la inmensidad del vacío interestelar. Los motores del cohete están apagados, de modo que ellos tienen una apacible sensación de ingravidez, un ligero vértigo al que están ya acostumbrados. Saben que la discusión de si se están moviendo uniformemente o están en reposo, no tiene sentido. El movimiento uniforme es indistinguible del reposo.

Deciden pasar su tiempo libre redescubriendo las leyes de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Él es físico, y un hábil experimentador. A ella se le dan bien las matemáticas. Además, disponen en su nave de un laboratorio bien equipado, con cables, circuitos, imanes, baterías, y diversos aparatos de medición. (Lea Elon Musk en líos: denuncian que monos murieron en ensayos de sus chips cerebrales)

Entienden rápidamente que existe una propiedad de la materia que se llama carga eléctrica y que viene en dos clases: positivas y negativas. Los cuerpos con cargas eléctricas iguales, se ejercen entre sí una fuerza de repulsión, y si las cargas son opuestas, se atraen.

Luego descubren que las cargas en movimiento ejercen una fuerza adicional a la eléctrica, es la fuerza magnética. Una corriente de partículas cargadas crea a su alrededor un campo similar al de los imanes, y es capaz de alterar la dirección de una brújula o ejercer fuerzas sobre otras corrientes.

Continúan haciendo experimentos y logran determinar las intensidades de las fuerzas eléctricas y magnéticas. Ellas dependen de las distancias, de las cargas o corrientes, pero además dependen de dos constantes fundamentales cuyos valores logran determinar experimentalmente. Luego hacen un descubrimiento sensacional: el movimiento de un imán genera una corriente eléctrica en un circuito que estuviera en las inmediaciones del imán; o dicho de modo más abstracto, un campo magnético que cambie con el tiempo induce un campo eléctrico. (Lea Mercurio será visible desde la Tierra durante este fin de semana y así podrá verlo)

Discuten las posibilidades tecnológicas de este resultado, pero deciden seguir escudriñando a la naturaleza para ver qué sabe ella que ellos ignoran. Se dan cuenta de que la formulación matemática de las ecuaciones requiere un ajuste que corrige una asimetría. Corregidas las ecuaciones y orgullosos de la consistencia de las leyes que han descubierto, se dedican a jugar con ellas; es lo que suelen hacer los físicos, es decir, se dedican a torcerles el pescuezo para que hablen y digan qué saben las ecuaciones que no sea obvio a primera vista. La naturaleza habló a través de los experimentos, ahora le toca hablar a las matemáticas. Y ellas hablaron alto y claro, y las matemáticas afirmaban que un campo magnético que cambia con el tiempo, crea uno eléctrico y este, a su vez, crea uno magnético que crea uno eléctrico que crea…uff, y se produce una situación autosustentable. Las leyes evidenciaban que los campos electromagnéticos pueden viajar en forma de ondas y que la velocidad de estas ondas está encriptada en las dos constantes universales. Al meter en la calculadora los valores numéricos de estas constantes obtuvieron el valor de la velocidad de la luz: la conclusión era inevitable, la luz es una onda electromagnética.

En ese instante caen en cuenta de algo asombroso: si otro astronauta hace experimentos similares, por simetría obtendrá el mismo valor que ellos para la velocidad de la luz, así sus cohetes se estén moviendo uno respecto del otro, en otras palabras, las leyes del electromagnetismo afirman que la velocidad de la luz es una constante universal: no podremos ver un rayo de luz ni un poquito más despacio. Ni tampoco más rápido. La velocidad de la luz es una constante universal y representa una barrera que no se puede transgredir. Y esto nos pisotea la intuición; pero ni al universo ni a las leyes de la física les importa nuestra intuición. Las leyes de la física deben ajustarse a las observaciones y los experimentos y ser compatibles entre ellas. La física de Newton permite velocidades arbitrariamente altas y, por tanto, es incompatible con el electromagnetismo, y esa incompatibilidad debió ser resuelta.

Naturalmente que las cosas no ocurrieron en la historia real de manera tan simple como en nuestra historia ficticia. Las tensiones entre las ecuaciones del electromagnetismo y las de la mecánica de Newton crearon una gran crisis en la física a finales del siglo XIX y comienzos del XX; los avances de la ciencia suelen ocurrir en un mar de preconcepciones, y prejuicios.

Todo se resolvió en 1905 cuando el joven Einstein tuvo el talento y la osadía de proponer que la velocidad de la luz es independiente de la velocidad entre la fuente y el observador y modificó la mecánica de Newton para hacerla compatible con las leyes electromagnéticas. El resultado es la relatividad especial.

Lo demás es historia; de allí a E = mc2 y a la energía nuclear, a la existencia de antimateria, a las ondas gravitacionales, la tomografía de positrones y electrones, la expansión del universo o los agujeros negros, pero eso es otro cantar.

*Profesor de Física de la Universidad Industrial de Santander. - Realizador de los podcast de Astronomía Al Aire

@hectorrago

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