Dejando a un lado, a los primeros descubridores, como Ptolomeo, Copérnico, Galileo, Kepler y otros muchos de tiempos pasados, tenemos que atender a lo siguiente:

La primera revolución de la física se produjo en 1905, cuando Albert Einstein con su relatividad especial nos ayudo en nuestra comprensión de las leyes que gobiernan el universo. Esa primera revolución nos fue dada en dos pasos: 1905 la teoría de la relatividad especial y en 1915, diez años después, la teoría de la relatividad general. Al final de su trabajo relativista, Einstein concluyó que el espacio y el tiempo están distorsionados por la materia y la energía, y que esta distorsión es la responsable de la gravedad que nos mantiene en la superficie de la Tierra, la misma que mantiene unidos los planetas del Sistema Solar girando alrededor del Sol y también la que hace posible la existencia de las galaxias.

Nos dio un conjunto de ecuaciones a partir de los cuales se puede deducir la distorsión del tiempo y del espacio alrededor de objetos cósmicos que pueblan el universo y que crean esta distorsión en función de su masa.  Se han cumplido 100 años desde entonces y miles de físicos han tratado de extraer las predicciones encerradas en las ecuaciones de Einstein (sin olvidar a Riemann) sobre la distorsión del espaciotiempo.

Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espaciotemporal, según las ecuaciones de Einstein: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. Esta es la esencia del agujero negro.

Si tuviéramos un agujero negro del tamaño de la calabaza más grande del mundo, de unos 10 metros de circunferencia, entonces conociendo las leyes de la geometría de Euclides se podría esperar que su diámetro fuera de 10 m / π = 3’14159…, o aproximadamente 3 metros. Pero el diámetro del agujero es mucho mayor que 3 metros, quizá algo más próximo a 300 metros. ¿Cómo puede ser esto? Muy simple: las leyes de Euclides fallan en espacios muy distorsionados.

Como se puede ver, el objeto pesado o masivo colocado en el centro de la superficie elástica, se ha hundido a consecuencia del peso y ha provocado una distorsión que cambia completamente la medida original del diámetro de esa circunferencia que, al ser hundida por el peso, se agranda en función de éste.

Al espacio le ocurre igual.

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Luz, Velocidad, Tiempo y, relatividad

Aunque muchas veces comentado, trataré de nuevo el tema de la velocidad de la luz y sus implicaciones reales en el transcurso del tiempo. La relatividad del movimiento es, por una parte, la clave para comprender la teoría de Einstein, y al mismo tiempo una fuente potencial de confusión.

No es nada fácil dar una definición del tiempo, los intentos de hacerlo terminar a menudo dando vueltas y vueltas hasta llegar al punto de partida.  Sin ir más lejos, en mi último trabajo (09/09/06) de título “Pasado, Presente y Futuro. Una ilusión llamada Tiempo”, intenté explicar lo que es el tiempo y hablé de él desde distintos ángulos y bajo distintos puntos de mira. Durante muchas páginas trate el tiempo y me remonte hasta el Big Bang como fuente de su nacimiento, allí, junto a su hermano el espacio, nació el tiempo.

Hablamos del reloj atómico de cesio-33, de la velocidad de la luz, de la fórmula matemática que explicaba la dilatación del tiempo a través de la velocidad, del tiempo de Planck, de las transformaciones de Lorentz, tiempo terrestre, tiempo dinámico, tiempo bariónico, tiempo estándar, tiempo universal, etc.

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¡El Tiempo!   ¿Qué es el tiempo?   ¿Cuándo comenzó?

 ¿Es igual para todos? El tiempo,¡una cuarta dimensión!

            Nos referimos al tiempo en múltiples ocasiones y por ser distintas situaciones y motivos como al referirnos a la duración de las cosas sujetas a cambios, época durante la cual ocurrieron unos hechos, edad de las cosas, estación del año, el periodo de vida de alguien desde que nace hasta que deja de existir, ocasión o coyuntura de hacer algo, cada uno de los actos sucesivos en que dividimos la ejecución de una cosa, etc.  En física, el tiempo es la cuarta coordenada espacial en el continuo espacio-tiempo.  En gramática y la categoría que indica el momento relativo en se realiza o sucede la acción del verbo: pretérito, lo que ha sucedido,  presente, lo que sucede en ese momento, y futuro, lo que aún no ha sucedido.  Nos referimos al tiempo meteorológico para explicar el estado del clima (hace mal tiempo.  Qué tiempo más bueno hace hoy, etc.).  En mecánica el tiempo puede estar referido a las fases de un motor.  También están los tiempos referidos a cada una de las partes de igual duración en que se divide el compás musical.  En astronomía nos referimos al tiempo de aberración refiriéndonos al recorrido de un planeta hasta llegar a un observador terrestre.  El tiempo está también en la forma de cálculo horario que empleamos en nuestra vida cotidiana para controlar nuestros actos y evitar el caos (¿Qué haríamos sin horario de trenes, de comercios, bancos, oficinas, etc.?).

         El tiempo es tan importante en nuestras vidas que, está presente siempre, de mil formas diferentes, desde que nacemos (cuando comienza “nuestro tiempo”), hasta que morimos (cuando “nuestro tiempo ha terminado”).  El tiempo siempre está.

         Sin embargo, a pesar de lo importante que es el TIEMPO, no he podido leer nunca una explicación satisfactoria sobre el mismo; una explicación que lo defina con sencillez y claridad sin restarle la importancia que tiene para todos y lo que en realidad es dentro del contexto – no ya de nuestras vidas, simples e insignificantes puntos en la inmensidad del Universo – de la Naturaleza Cósmica de la que formamos parte.

         En el año 1.905, Einstein público su teoría de la relatividad especial y, desde entonces, el concepto de “Tiempo” cambió para el mundo.

         Minkowski, un antiguo profesor de Einstein, cuando repasó el trabajo de la relatividad Especial, se dio cuenta de que, a partir de ese momento, se tendría que hablar del continuo espacio-temporal, el espacio y el tiempo dejan de estar separados, dejan de considerarse como entidades distintas, para pasar a estar conectados; conexión que, desde el punto de vista matemático, la dan las transformaciones de Lorentz.

 Las transformaciones de Lorentz ponen de manifiesto cómo varía el tiempo, considerado como una cuarta coordenada (omito ecuaciones).

         Estamos acostumbrados a considerar el mundo como tridimensional.  Para especificar exactamente la posición de un objeto en una habitación, por ejemplo un libro encima de una mesa, partiremos de un ángulo de la habitación, e indicaremos las distancias del libro a las dos paredes que forman el ángulo y la altura respecto al suelo; la posición del libro queda globalmente determinada por tres números, esto es, tres coordenadas espaciales.

         Pero al hacerlo así no tenemos en cuenta el hecho de que el libro en cuestión, que estaba encima de la mesa a las diez, puede estar en el dormitorio a las once y ser colocado en el mismo punto de la mesa que ocupaba antes a las once y media.  Esto no importa cuando se considera un tiempo absoluto y, por tanto, hay un único reloj para todos los observadores, pero resulta esencial cuando sistemas de referencia en movimiento relativo tienen distintos relojes no sincronizables.  Por tanto, todo observador tiene un espacio cua-tridimensional (el espacio-tiempo) relativo al propio sistema de referencia.

         Las transformaciones de Lorentz son más complejas que las de Galileo, pero tienen la ventaja de eliminar todas las contradicciones halladas anteriormente.  Sin embargo, para velocidades muy inferiores a la de la luz, estas nuevas relaciones se reducen a las de Galileo, y sólo se manifiestan grandes diferencias cuando los sistemas de referencia tienen velocidades relativas próximas a la de la luz, entonces, el tiempo transcurre más lentamente para ese hipotético viajero que viaje a esas velocidades relativistas.

         La diferencia fundamental entre la mecánica clásica y la mecánica relativista radica en el hecho de que, en el primer caso, la velocidad de un cuerpo es diferente para un observador en reposo y para otro en movimiento, es decir, es un concepto relativo; sin embargo, en el segundo caso la velocidad es un concepto absoluto, no cambia con el movimiento y tiempo, el hecho de que dos velocidades que deben ser diferentes sean iguales – obliga a que exista una variación en el espacio y el tiempo.  Así, se debe no obstante, como cociente que es entre dos magnitudes fundamentales, espacio y tiempo, así, se debe producir un acortamiento de los metros y un retrasamiento del tiempo.  En la mecánica de Newton, por el contrario, los metros y los segundos son invariables.

          Las transformaciones de Lorentz son un conjunto de ecuaciones que relacionan las coordenadas espacio-tiempo de dos sistemas que se mueven a velocidad constante el uno respecto al otro.  Efectivamente, las fórmulas predicen una contracción espacial (contracción conocida como de Lorentz-Fitzgerald) y una dilatación temporal, cuando la velocidad relativa de los dos sistemas se aproximan a la de la luz.  Sin embargo, Lorentz se vio obligado a introducir el concepto de tiempo local, que supone que el paso del tiempo varía según el lugar.  Einstein se basó en la transformación de Lorentz y la mejoró para el desarrollo de su teoría de la relatividad especial.

Simultaneidad

         Esa variación que experimenta el tiempo en la mecánica relativista cuestiona el concepto de simultaneidad, ya que bajo ese punto de vista no es fácil afirmar que dos fenómenos son simultáneos. Si lo son, deben ocurrir en el mismo instante, y para medir ese tiempo debe emplearse un mismo reloj para cada uno de los sucesos.

          Lorentz supuso dos sistemas de ejes coordenados que se mueven uno respecto al otro con velocidad v.  Las coordenadas de ambos sistemas están relacionadas entre sí según muestran las ecuaciones

• Los objetos se contraen en el sentido de su marcha si sus velocidades son relativistas (cercanas a c, la velocidad de la luz).

• El tiempo se dilata para el viajero que ocupe una nave espacial que corre a la velocidad de la luz o similar.  Su tiempo, transcurre más despacio que el tiempo de los que quedamos en la tierra.

           De esta forma, podemos demostrar como el tiempo es distinto para cada persona, lugar o circunstancia, tendremos tiempos unitarios y tiempos Universales.

         El transcurrir del tiempo en el Universo está referido a un tiempo uniforme igual para todo y para todos. El transcurrir del tiempo de personas individuales o de grupos, en realidad, puede ser distinto del tiempo de otras personas o de otros grupos.

         No es lo mismo el transcurrir del tiempo para quien está, junto a la persona amada en un lugar paradisíaco que, ese mismo periodo de tiempo para quien postrado en el lecho de un hospital sufre continuos dolores.  El primero verá pasar el tiempo velozmente, mientras que, el segundo, lo verá eternizarse.  En ambos casos, la noción de tiempo será engañosa según aconseje cada circunstancia, la realidad será que, el tiempo transcurrido para ambos es el mismo.

         Sin embargo, ésta igualdad se rompe si el tiempo que transcurre es medida por un observador que está pendiente del tiempo que pasa en la Tierra y el tiempo que pasa en la nave espacial que partió de ella a 270.000 km/s con destino a Alfa de Centauri, situada a una distancia de  4’3 años-luz de nuestro Sol.

         El encargado de la medición comprobaría como el tiempo que transcurre es distinto en el planeta Tierra y en la nave espacial, donde debido a su velocidad (cercana a la de la luz) el tiempo pasa mucho más lento, y, se puede dar el caso real de que, al regreso de la Nave, sus pasajeros astronautas solo tengan 8’6 años más, mientras que sus amigos y familiares que, a su partida, tenía la misma edad, soportarán el transcurso de varias decenas de años y ahora sean viejos.

         Así lo demuestra la fórmula de Einstein y los experimentos realizados en los aceleradores de partículas, son los efectos predichos por la teoría de la relatividad especial de Einstein, los tiempos son relativos al movimiento de los observadores.  El reloj viajero es más lento en un factor = ecuación arriba reseñada.

         Para poder contestar la pregunta ¿Cuándo comenzó el tiempo?, nos vemos obligado a retroceder 13.500 millones de años, hasta lo que conocemos como Big Bang, el origen del Universo, allí, en ese preciso momento, nació el tiempo y el espacio.

         El Big Bang es la teoría más acertada del origen y evolución del Universo que se comenzó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad que, desde entonces, ha estado siempre expandiéndose y es precisamente esta expansión la que da lugar al espacio (cada vez mayor) que abarca el Universo y, al mismo ritmo, crece o transcurre el tiempo inexorable.

         El paso del tiempo lo cambia todo, los sistemas se transforman, viven y mueren para dar paso a otros nuevos sistemas.  Estrellas que brillan durante miles de millones de años y con el paso del tiempo consumen su material-combustible nuclear y mueren explotando en Novas para con su material complejo, contribuir a la formación de nuevas estrellas y planetas, e, incluso formas de vida.

         Todo envejece, se deteriora por la acción de la entropía, del paso del tiempo.  Sin embargo, él no cambia, es invariante, continúa su camino mientras que, a su alrededor, las mutaciones son continuas y lo único que permanece inalterable es: El Tiempo.

         Me encantaría tener sabiduría para poder exponer de manera más amplia y precisa lo que es el tiempo, lo que aquí dejo escrito (después de documentarme), es corto y no me deja satisfecho, cualquier persona mejor preparada lo había hecho mejor pero, de todas formas, la voluntad que he puesto en el trabajo compensa sus posibles deficiencias y el lector sabrá disculpar las mismas.

         De todas las maneras posibles en los que me he detenido a pensar sobre lo que es y supone el tiempo, la que más me impresiona es aquella que me hacer ver claramente que no podemos impedir su transcurrir, que su paso nos llevará hacia la eternidad convertidos en polvo, dejando atrás a los seres queridos que, nos gustaría seguir protegiendo, sin llevarnos la certeza de lo que el destino les tiene reservado a sus vidas.  Esa incertidumbre me causa una dolorosa impotencia infinita que, en no pocas ocasiones, llego a sentir como un dolor físico real causado por un pensamiento profundo del significado y las implicaciones irreversibles que el paso del tiempo nos trae a todos. Sin embargo, ese mismo mecanismo hace que podamos luchar contra su transcurrir inexorable, ya que, al dejar aquí nuestra descendencia, no hacemos más que emplear el mismo sistema que tiene el Universo para continuar, él hace que, a partir de las estrellas que “mueren” surjan las Nebulosas, a partir de las cuáles, nacen nuevas estrellas para que todo siga igual.

      El tiempo pasa pero, cuando miramos el cielo, las estrellas están brillando ahí arriba y, alguna vez, me pareció que me querían decdir alguna cosa.

emilio silvera.

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Después de una década de intenso trabajo y profundos y penosos estudios y, digámoslo, con la ayuda del tensor métrico de Riemann, Einstein resolvió el dilema mediante su teoría de la relatividad general. En esta teoría, Einstein una vez más, revolucionaba nuestro modo de comprender el espacio y el tiempo y demostró que éstos se distorsionan y se curvan para transmitir la fuerza de gravedad creada por la presencia de grandes masas como planetas o estrellas y galaxias.

Einstein ganó el premio Nobel de Física por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico que le inspiró el trabajo de Max Planck de 1.900, sobre la radiación de energía de cuerpo negro, emitida por paquetes discretos a los que llamó “cuantos”.

En realidad, le tendrían que haber concedido otro Nobel por su teoría de la relatividad especial, tal es su importancia.

Y, desde luego, otro tercer Nobel por su relatividad general; los tres trabajos son de tal profundidad e importancia y tuvieron tanta trascendencia para el mundo de la física y la cosmología que, podemos decir sin temor a equivocarnos, que los tres trabajos cambiaron el transcurso del mundo.

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¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz?

Para contestar esta pregunta hay que advertir al lector que la energía suministrada a un cuerpo puede influir sobre él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo sale despedido y gana energía cinética o, dicho de otra manera, energía de movimiento. Si el martillo golpea sobre un clavo, cuya punta está apoyada en una madera dura e incapaz de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero esta vez en forma de calor por rozamiento al ser introducido a la fuerza dentro de la madera.

Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa cabía contemplarla como una forma de energía (E = mc², la bomba atómica lo confirmó). Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer en la forma de masa o bien en otra serie de formas.

En condiciones ordinarias, la ganancia de energía en forma de masa es tan increiblemente pequeña que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX (al observar partículas subatómicas que, en los grandes aceleradores de partículas, se movían a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo) cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 Km por segundo respecto a nosotros mostraría una masa dos veces mayor que cuando estaba en reposo (siempre respecto a nosotros).

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