Teoría de Relatividad

Por: Juan Carlos Cuevas y Danie Farías/Rebelión

Las ideas que cambiaron el mundo es un atractivo ensayo que presenta una introducción amena y dirigida a todos los públicos a la teoría de relatividad, la mecánica cuántica y a la revolución tecnológica que provocaron. Una buena lectura para el 2019.

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

¿Cómo recordará la historia al siglo XX? Si una civilización alienígena viniera a la Tierra dentro de 30 siglos y repasara la historia de la humanidad para entender nuestras costumbres, ¿qué le llamaría la atención acerca del siglo pasado? No es fácil contestar a esta pregunta, especialmente cuando para nosotros el siglo XX es el siglo en el que crecimos. A bote pronto, uno diría que los hechos más destacables fueron las guerras mundiales, el holocausto, la guerra fría, las dictaduras latinoamericanas y otros conflictos internacionales. Ciertamente da la impresión de que el siglo XX fue muy sangriento, aunque en términos relativos no lo fue mucho más que otras épocas. El periodo de la Grecia Clásica fue también muy violento, pero lo recordamos sobre todo por el nacimiento de la filosofía, la literatura o el teatro. La época del Imperio Romano vivió numerosas guerras, pero la recordamos por el nacimiento del derecho moderno, la ingeniería civil o el latín. El Renacimiento tampoco fue un camino de rosas, pero es recordado en especial por el renacer de las artes (pintura, arquitectura, escultura, literatura, etc.).

Nosotros creemos que el siglo XX será recordado como el siglo de la ciencia, el siglo en que la ciencia avanzó más que en todo el resto de la historia de la humanidad y en el que se asentó como un pilar básico de nuestras sociedades. En general, todas las ciencias vivieron una edad de oro en el siglo pasado. La biología siempre recordará el siglo XX como aquel en el que se descubrió el ADN, la molécula de la vida, y en el que nació la ciencia de la genética. La geología jamás olvidará que la teoría de la tectónica de placas, que explica la estructura de la superficie de la Tierra, surgió en el siglo XX, en el que además se determinó por fin con precisión la edad de la Tierra. Pero creemos que es justo decir que el siglo XX fue el siglo de la física. Obviamente, como físicos profesionales, no podemos ser del todo objetivos, pero creemos que ninguna otra ciencia experimentó la revolución que sufrió la física en el siglo XX. Para sustanciar esta opinión, baste con recordar que antes del siglo XX no sabíamos nada sobre la estructura de la materia y, en particular, no sabíamos con certeza que los átomos existían y que éstos a su vez están hechos de partículas elementales, no sabíamos nada del poder enorme que guardan estos átomos en su interior (para hacer el bien y el mal), no sabíamos cómo funcionaba el Sol ni el resto de las estrellas del firmamento, no sabíamos si nuestra galaxia era la única que existía, o si había más, no sabíamos si el Universo había tenido un comienzo o cuál era su estructura global y tampoco sabíamos que se podían crear materiales artificiales que serían la base de nuestro actual sistema de comunicaciones y de generación de información y conocimiento. El siglo XX fue el siglo de la física no solo porque cambió nuestra visión del mundo, sino porque también cambió la vida de la gente en este planeta para siempre.

Nada hacía presagiar a finales del siglo XIX que la física jugaría un papel tan importante en el final del milenio pasado. La física era una ciencia ciertamente respetada y nombres como los de Galileo Galilei e Isaac Newton siempre estarán en el Olimpo de la ciencia y de la historia del pensamiento. El siglo XIX vivió la consolidación de la termodinámica, la rama de la física que se ocupa del intercambio de energía entre los cuerpos y que jugó un papel importante en las revoluciones industriales de la época. Ese siglo también fue testigo del nacimiento del electromagnetismo, la parte de la física que se encarga del estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos y que florecería a comienzos del siglo XX para convertirse en una pieza fundamental de toda la tecnología moderna. Sin embargo, a finales del XIX sólo había un puñado de físicos profesionales dispersos por algunos de los países más desarrollados de la época (fundamentalmente en Europa) y la física mostraba algunos síntomas de agotamiento y de falta de horizontes. Así, por ejemplo, el físico estadounidense de origen alemán Albert Michelson, autor de uno de los experimentos más importantes de la historia de la física y que aparecerá en el siguiente capítulo, predijo en 1894 que el fin de la física estaba cercano ya que todos los fundamentos básicos habían sido establecidos. Por su parte, cuando Max Planck, físico alemán y uno de los padres de la física cuántica, terminó sus estudios de educación secundaria allá por la década de 1870, su profesor de física le recomendó que no se dedicara a la física porque era una ciencia sin ningún futuro en la que casi todo estaba ya descubierto. Es probable que pocas veces en la historia alguien haya estado más equivocado. Efectivamente, en los últimos 15 años del siglo XIX se descubrieron las ondas electromagnéticas, el efecto fotoeléctrico, la radiactividad, los rayos X y la primera partícula elemental, el electrón. Estos descubrimientos y algunos otros a comienzos del siglo XX darían paso a dos de las revoluciones más importantes de la historia del pensamiento humano, las revoluciones protagonizadas por la teoría de la relatividad y por la mecánica cuántica.

La teoría de la relatividad y la mecánica cuántica son los dos pilares fundamentales sobre los que descansa la física moderna. Estas dos grandes teorías, que surgieron en las tres primeras décadas del siglo XX, comparten algunas cosas, pero también se diferencian notablemente en otras. Por un lado, ambas teorías son tremendamente radicales y rompieron en su momento con principios establecidos hacía siglos y que se creían intocables. Ambas teorías cambiaron, de una forma u otra, nuestra visión del mundo y nuestra percepción de la realidad. Ambas teorías son tremendamente exitosas y superan a diario innumerables pruebas experimentales y son la base de muchas ramas de la física, pero también del desarrollo de incontables aplicaciones prácticas, en especial la mecánica cuántica. También ambas teorías comparten el aura de ser un tanto misteriosas e inaccesibles pa­ra el gran público, una visión con la que no estamos de acuerdo y que esperamos ayudar a cambiar con este libro.

Por otra parte, ambas teorías tienen diferencias básicas. La primera está en su génesis. Mientras que la relatividad fue principalmente el producto de un solo hombre, Albert Einstein, el prototipo de genio, la mecánica cuántica surgió del esfuerzo colectivo de un grupo de físicos, todos ellos brillantes, que se complementaron mutuamente. Otra diferencia en su génesis es que, mientras que el desarrollo de la mecánica cuántica fue motivado por la dificultad de explicar numerosos experimentos, esto no ocurrió con la teoría de la relatividad, donde la motivación obedeció esencialmente al deseo de Einstein de construir una teoría armoniosa que unificara o generalizara conceptos ya conocidos. En este sentido, aunque la relatividad es para mucha gente el arquetipo de teoría física, esta teoría es, en realidad, una excepción, una anomalía dentro de la física moderna.

Otra diferencia entre estas dos teorías es que, a pesar de su radicalidad y originalidad, la teoría de la relatividad aún se asienta sobre conceptos clásicos como el determinismo o el realismo, conceptos que abordaremos a su debido tiempo en este libro. En este sentido, la mecánica cuántica es, si cabe, aún más radical y acaba con el concepto de determinismo y proporciona una nueva visión de lo que entendemos por realidad. Estas diferencias son profundas y, en buena medida, son el motivo por el cual estas dos teorías aún existen por separado y no ha sido posible hasta el momento unificarlas en una sola teoría que explique todos los fenómenos de la naturaleza.

El objetivo de este libro es ayudar en la tarea de acercar las ideas básicas de la relatividad y de la mecánica cuántica al gran público. Estas teorías son la base de nuestra visión moderna del mundo y proporcionan las mejores respuestas que tenemos hasta el momento a algunas de las preguntas más básicas que la humanidad se ha formulado desde siempre. En este sentido, cree­mos que estas teorías deberían formar parte del bagaje intelectual de cualquier persona culta o simplemente curiosa.

Contrariamente a lo que se piensa habitualmente, las ideas fundamentales de estas dos grandes teorías son relativamente accesibles y, sobre todo, nos hablan de infinidad de cosas que suceden a nuestro alrededor y, por tanto, son de indudable interés. Como veremos en este libro, la relatividad y la mecánica cuántica permitieron finalmente dar respuesta a cuestiones muy profundas como la naturaleza del espacio y el tiempo, los constituyentes últimos de la materia, cómo funcionan los astros del cielo o cómo surgió el Universo. Pero también dieron respuesta a preguntas milenarias como por qué un metal conduce la electricidad y la madera no, por qué el vidrio es transparente, por qué el diamante es tan duro, y abrieron la puerta al diseño inteligente de materiales y dispositivos con los que ni siquiera éramos capaces de soñar.

La conexión entre ciencia básica y una ciencia más aplicada es algo que no está muy presente en los libros de divulgación y es, en nuestra humilde opinión, un error. Lo que hace especial a la física moderna, frente por ejemplo a la física de Newton en el siglo XVII, es su poder transformador de la vida cotidiana de la gente. Desgraciadamente, esta idea no es tan conocida por el gran público y, obviamente, solo puede ser culpa nuestra, de los profesionales de la física. Cada año en nuestra universidad organizamos visitas de institutos de educación secundaria para mostrarles la investigación que hacemos en nuestros departamentos y explicarles así en qué consiste el trabajo de un físico. En dichas visitas solemos hacer a los estudiantes la siguiente pregunta: ¿conocéis alguna aplicación de la mecánica cuántica? Este libro surge en parte del estupor que nos causa ver cómo, año tras año, ningún estudiante puede darnos ni siquiera un ejemplo, algo que, insistimos, no es culpa suya. Es entonces cuando les pedi­mos que saquen sus teléfonos móviles y se sorprenden cuando aprenden que llevan en su bolsillo un prodigio de tecnología cuántica que, entre otras cosas, implementa varias ideas que en su día merecieron cada una de ellas el premio Nobel de Física. Los estudiantes se sorprenden aún más cuando les contamos que se estima que aproximadamente el 30% del PIB (producto interior bruto) de Estados Unidos es consecuencia directa de aplicacio­nes de la mecánica cuántica (más sobre todo esto en el ca­­pítulo 5). ¿Cómo es posible que todo esto no sea de dominio público? En fin, por nuestra parte no va a quedar y, al menos, esperamos que este libro ayude a que en los próximos años algún estudiante sea capaz de contestar sin vacilaciones a nuestra pregunta.

Las historias de la relatividad y de la mecánica cuántica son historias que aún se siguen escribiendo y que no dejan de fascinarnos. Es realmente notable cómo el simple deseo por mejorar nuestra compresión del mundo llevó al desarrollo de estos dos monumentos del pensamiento moderno, y cómo esa curiosidad fue el germen que dio lugar a, quizás, la mayor revolución del siglo XX. Esta historia es, sin duda, un excelente ejemplo de lo que podríamos llamar la curiosidad como fuente de riqueza, un tema central en este libro.

Digamos, a título personal, que son varios los motivos que nos han llevado a escribir este libro. En primer lugar, está el deseo de compartir el placer de aprender y descubrir. Realmente daríamos lo que fuera por estar en la posición de un lector que se acerca a la teoría de la relatividad y a la mecánica cuántica por primera vez. En segundo lugar, nos mueve el deseo de contribuir a diseminar la visión moderna del mundo que nos ofrece la física actual. Esperamos que con este libro su mundo sea un poco menos misterioso, pero también un poco más fascinante. Tercero, está el anhelo de transmitir nuestra pasión por la investigación fundamental y de explicar su estrecha conexión con el mundo, no menos fascinante, de la tecnología y las aplicaciones que mejoran nuestra vida cotidiana.

Finalmente, esperamos que este libro contribuya a acabar con el mito de que estos temas no están al alcance de todos. Del mismo modo que es posible disfrutar de la música clásica sin ser capaz de leer una partitura, creemos que es posible entender las ideas fundamentales de la física sin estudiar matemáticas avanzadas.

¿Qué va encontrar en este libro? Va a encontrar una introducción amena, sin tecnicismos, pero con mucho rigor, a los dos grandes pilares de la física moderna: la teoría de relatividad y la mecánica cuántica, y a algunas de sus aplicaciones. Después de leer este libro sabrá que el tiempo se puede dilatar, que las longitudes se pueden contraer, cómo puede permanecer más joven viajando cerca de la velocidad de la luz, cómo se puede convertir masa en pura energía, por qué brilla una estrella, por qué el tiempo que marca un reloj depende de la altura a la que se encuentra, qué tiene que ver el GPS con la relatividad, qué se siente al caer en un agujero negro, qué es un agujero de gusano, si se puede viajar en el tiempo, por qué es tan importante que se hayan detectado hace poco ondas gravitacionales, cuál es el origen del Universo y qué es la energía oscura. Por otro lado, la lectura de este libro le permitirá entender qué es el entrelazamiento cuántico, qué es el efecto túnel, qué es el principio de incertidumbre, cómo es posible que algo esté en dos sitios a la vez, por qué se dice que la mecánica cuántica no es determinista, qué quiere decir que la cuántica sea una teoría no-local, por qué el transistor es el invento del siglo y cómo funciona, cómo la cuántica condujo al invento del láser y del LED, cómo se pueden ver los átomos, cómo los Laboratorios Bell se convirtieron en la mejor factoría de ideas que ha existido jamás, cuántos premios Nobel lleva en su bolsillo, por qué los materiales tienen las propiedades que tienen o qué es un superconductor y para qué sirve.

¿Qué tiene de especial este libro? Obviamente, es difícil decir a estas alturas algo completamente nuevo sobre la relatividad y la cuántica y hay que decir que ya existe una amplia literatura al respecto, sobre todo en otros idiomas como inglés y alemán. Sin embargo, la mayor parte de los libros de divulgación adoptan, en nuestra opinión, una actitud condescendiente con el lector y renuncian a tratar de explicar las ideas básicas de estas teorías para centrarse en aspectos más bien anecdóticos. Esto suele dejar al lector con la sensación de que, efectivamente, estas teorías no son muy accesibles. Este libro tiene por objeto que el lector comprenda realmente los fundamentos lógicos de la relatividad y de la cuántica y no renuncia a explicar sus consecuencias básicas, en lugar de meramente describirlas. Además, este libro está escrito desde la experiencia de dos físicos que usan y ponen a prueba esas teorías a diario en su trabajo de investigación y que llevan años enseñando estas materias. Así pues, los argumentos, ejemplos y analogías que encontrará aquí son el fruto de muchos años de reflexión y de experiencia en el uso y enseñanza de la relatividad y de la mecánica cuántica. Por otra parte, la selección de temas es relativamente original y así, por ejemplo, presentaremos una introducción a la física del estado sólido, una rama quizá no tan conocida y que suele estar ausente en la mayor parte de los libros de divulgación, pero que en realidad fue y sigue siendo la gran protagonista de la revolución cuántica.

¿A quién va dirigido este libro? Va dirigido a todos aquellos curiosos sin formación científica que deseen conocer cuál es la visión moderna del mundo que nos ofrecen la relatividad y la mecánica cuántica. Va dirigido a estudiantes de secundaria o de carreras de humanidades que deseen acercarse por primera vez a estas dos grandes teorías de la ciencia de una forma amena y accesible. Va dirigido a aquellos que piensan que la relatividad nos dice que todo es relativo, a aquellos que creen que la cuántica solo nos habla de gatos que pueden estar vivos y muertos a la vez, y a quienes piensan que la relatividad y la cuántica no tienen ninguna aplicación práctica.
El director de cine Steven Spielberg dijo en una entrevista que, como espectador, si en una película no ocurría nada en los cinco primeros minutos, él abandonaba el cine. Nuestros cinco minutos de gracia están tocando a su fin, así que va siendo hora de que comience la acción. Y recuerde, si hay algo que no entiende, la culpa es enteramente nuestra.

Capítulo introductorio del libro de Daniel Farías y Juan Carlos Cuevas Las ideas que cambiaron el mundo. Relatividad, mecánica cuántica y la revolución tecnológica del siglo XX. Montesinos, Vilassar de Mar (Barcelona), 2018.

Fuente: https://www.elviejotopo.com/topoexpress/las-ideas-que-cambiaron-el-mundo/

Fuente: https://www.rebelion.org/noticia.php?id=250829