Para quienes gustan de los números...

 

EFECTOS DE LA RELATIVIDAD EN LA EXPLORACIÓN DEL ESPACIO

Miguel Paz Bonells  *

 


“Ningún fotón experimenta el paso del tiempo en absoluto, puesto que para él no existe el espacio y sin el espacio nohay tiempo ni velocidad!”...

Schabbath van Nes Ziegler

 

Todo parece indicar que el hombre, tarde o temprano, querrá explorar el espacio estelar, más allá del sistema solar, en el ámbito de las estrellas, para lo cual tendrá que desarrollar una tecnología superior a la actual, posiblemente una tecnología que tome en consideración las dimensiones superiores del espacio.

 

Vamos a especular un poco sobre lo que prevé la Teoría de la Relatividad con respecto al comportamiento de la masa de un objeto, digamos una nave espacial, ante velocidades próximas o superiores a la de la luz y tratar de hacer algunas sugerencias con respecto a las posibles consecuencias teóricas.

 

Einstein dividió su Teoría en dos partes: la Teoría Especial, que relaciona la medida de cantidades tales como el tiempo, la longitud y la masa, hechas por un observador, con las medidas hechas por un observador distinto que se mueve a velocidad constante respecto al primero.  Estudia, también, los sistemas de referencia, es decir, las coordenadas que permiten apreciar cada evento.   La Teoría General, por su parte,  relaciona la materia y la gravedad, la cual es, según lo planteado,  una distorsión o curvamiento del espacio-tiempo, causado por la presencia de la materia, mejor dicho, de la masa.

 

Einstein no sacó su Teoría de la “nada”: detrás de él estaban Michelson, Lorentz, Fitzgerald, Minkowsky, Maxwell, Rieman y un largo etc.   Los dos pilares fundamentales de su Teoría son la invariabilidad de la velocidad de la luz, independientemente de la dirección de la fuente que la emite y la contracción de los cuerpos en movimiento formulada por Lorentz

 

El sistema de referencia es tan importante que si dos naves se cruzaran, la  una con la  otra,  en alguna parte del espacio donde no exista, en millones de kilómetros a la redonda, ningún sistema de referencia, a velocidades diferentes próximas a la de la luz, ninguno de los dos pilotos podrá tener la certeza de si el otro estaba estacionario o en movimiento.

 

Podríamos afirmar también que el piloto de una nave que se desplazara, a velocidades cuasilumínicas,  por un espacio carente de sistemas de referencia hacia un único punto conocido, podría pensar que es el objeto el que se desplaza hacia la nave, lo cual convertiría su desplazamiento en una especie de “movimiento adireccional”, en algo como “voy hacia donde quiero ir sin moverme, porque al quererlo el punto de destino me busca”...

 

Es conveniente aclarar previamente que los conceptos de peso y masa están perfectamente definidos en la física, a pesar de que, para el lego, tienden a confundirse debido a que se utiliza el gramo como unidad fundamental.  La masa es la cantidad de materia que posee un cuerpo, mientras que el peso es la fuerza con que  gravedad atrae dicha masa, es decir, que el peso es relativo mientras la masa no lo es.  Bajo la óptica de la misma Teoría, sin embargo,  la masa propia o en reposo de un cuerpo comienza a incrementarse a medida que adquiere velocidad, es decir, que la masa pasa a ser función de la  energía cinética del cuerpo. Dicho de otra manera, como lo muestra claramente la primera ecuación que veremos, la masa es la medida de la energía que contiene un cuerpo.

 

Las unidades respectivas, por lo demás, son el gramo-peso y el  gramo-masa.  Cuando alguien  “pide un kilo de azúcar” se refiere a un kilogramo-peso, y aunque en la Luna el mismo pesaría unos 200 gramos, su masa propia (en reposo) continuaría invariable.

 

Los fotones (cuantos de luz) no tienen masa en reposo, sin embargo tienen masa y se diferencian de otras partículas elementales, como los electrones, en que no poseen carga eléctrica ni pueden desplazarse a velocidades inferiores a 300.000 km./seg.

 

Llamemos m  la masa de un cuerpo en reposo.  La Teoría de la Relatividad afirma que si dicho cuerpo  comienza a moverse en relación con otro, la  masa del cuerpo en movimiento será determinada por la siguiente ecuación, en la cual v es la velocidad del cuerpo en movimiento y c la velocidad de la luz:

                                                    

                                                            m

                                           m´ =  ------------------

                                                       _________

                                                     Ö1- (v ² / c ²)

                                                        

                        (Ö = raíz cuadrada de todo el denominador de la expresión; c = 300.000 km./s)

 

Podemos ver claramente que si v = 0, es decir, que si el objeto permanece en reposo, el valor de la fracción v ² / c ² será de 0 / c ² = 0 y  el denominador será  Ö1 = 1, por lo cual m será igual a (las dos masas serán iguales).

 

Lo anterior significa  que si el objeto está en reposo no habrá ningún cambio en la masa, pero si v aumenta, el valor bajo el radical será menor que 1, haciendo el denominador menor que 1 y  m´ mayor que m, lo cual implica que la velocidad de un cuerpo en movimiento produce un aumento en su masa.  ¿Qué pasa si el cuerpo adquiere la velocidad de la luz, de manera que v = c?.  Si las dos velocidades se igualan, la razón v ² / c ² será = 1 y el número bajo el radical,  1-1 = 0.  Esto hará que la ecuación se reduzca a m´= m / 0 y sabemos que si el denominador de una fracción se hace cada vez más pequeño, aproximándose a cero, siempre y cuando el numerador permanezca como un número real distinto de cero, el valor de la fracción crecerá hasta aproximarse al límite del infinito.

 

Una de las consecuencias aparentes sería la  necesidad de una fuerza cada vez mayor  para imprimirle al cuerpo  aceleración posterior, lo cual es inconcebible en esos límites, razón por la cual se afirma que la velocidad de la luz no podría materialmente ser superada.   No debemos olvidar, sin embargo, que, simultáneamente, la presencia de tal masa produciría el mismo efecto que un agujero negro puntual, es decir, una especie de ruptura en el continuo espacio-tiempo, capaz de impulsar el cuerpo hacia una dimensión superior, pero actualmente esto no deja de ser una simple especulación.

 

Hallemos, a manera de práctica, la velocidad que haría que un cuerpo en movimiento doblara su masa:

 

 

Puesto que, en este caso,  = 2m ...

 

                              m                                      _________

            2m =  ­ ----------------; Simplificando:  Ö 1- (v ² / c ²) = ½ ;   1- (v ² / c ²) = ¼ ;

                         _________

                      Ö 1- (v ² / c ²)

                                             ________         ______

           (v ² / c ²) = ¾;   v =  Ö 3 (c ² / 4 )  =  Ö 3 (c / 2)

 

            v  = 1,73 (300.000 / 2) = 259.500 km./s

 

Cuando la velocidad del cuerpo en movimiento alcance los 259.500 kms. Por segundo  tendrá el doble de su masa en estado de reposo.      

 

La Teoría de la Relatividad postula, además,  otras consecuencias no menos interesantes:

 

Si l es la longitud del cuerpo en reposo, su longitud aparente l´,  cuando se esté moviendo con referencia a otro cuerpo, se expresa mediante la ecuación:

                         _________

            l ´ =  l  Ö 1- (v ² / c ²)

 

Obsérvese que, en este caso, el radical no está en el denominador sino que multiplica a l, por lo cual la longitud del cuerpo parecería disminuir a medida que la velocidad aumenta.  En el ejercicio anterior vimos que el valor del radical es de ½ cuando la velocidad alcanza los 259.500 kilómetros por segundo.  Piénsese en una nave desplazándose con respecto a la Tierra.  Cuando la misma alcance, por lo tanto, la velocidad de 259.500 kms./s, parecerá, a cualquier observador sobre la Tierra, que su tamaño se ha reducido a la mitad, es decir, que se ha encogido.  Si acelera hasta alcanzar la velocidad de la luz, su longitud se hará prácticamente cero, de donde se puede inferir que desaparecería literalmente de nuestro espacio convencional.

 

A tal velocidad, además, la luz procedente de la nave nunca  podría alcanzarnos, razón por la cual sería invisible de todas maneras y no podríamos detectar su presencia.  Las personas dentro de la nave, sin embargo, no percibirían  nada anormal porque su sistema de referencia sería la nave misma.

 

Una implicación aún más desconcertante que las anteriores es la de la dilatación del tiempo.  Si llamamos t al tiempo requerido para desplazarse a cualquier velocidad según un observador, digamos, sobre la Tierra, y t ´ al tiempo que transcurre dentro de la nave, la ecuación para calcular este último, según  las predicciones de la Relatividad, debe ser

                          _________

            t ´ =  t / Ö 1- (v ² / c ²)

 

A medida que la velocidad de la nave aumenta, el tiempo t´, medido por los observadores con relojes convencionales, transcurrirá más lentamente, lo cual significa que el tiempo de los viajeros transcurrirá aceleradamente en relación con el de los observadores.  Podríamos decir que si el reloj de la nave se mueve más lento que el de los observadores en Tierra, aunque los tripulantes no lo perciban así, una hora en la nave equivaldría a muchas horas de la Tierra, de manera que los observadores en Tierra envejecerían más rápidamente.

 

Esta diferencia entre los dos tiempos según la Teoría planteada por Einstein, dio origen a la llamada “paradoja de los gemelos”, un ejemplo que nos habla de dos gemelos, uno de los cuales permanece en la Tierra: cuando el gemelo  viajero retorna, encuentra a su hermano envejecido, aunque  para él  sólo haya transcurrido muy poco tiempo... hasta sus hijos, “ahora”, serán mayores que él!.

 

La fórmula sólo es aplicable si la velocidad es constante, por lo cual, en teoría, las consecuencias de la paradoja podrían alterarse, debido a las acelaraciones y desaceleraciones del despegue y del aterrizaje.

 

Pero, ¿podremos algún día superar la velocidad de la luz?...  según la Teoría Especial de la Relatividad es físicamente imposible, para un objeto material, superar este límite.  Al menos en los experimentos hechos con ciclotrones no ha sido posible acelerar un electrón más rápido que la luz, debido a que, por mucha energía que se le proporcione, aparentemente, el incremento relativo de su masa lo impide.

 

Según el matemático  Rudolf Rucker, sin embargo,   esto no implica, necesariamente, que no podamos superar esta velocidad  algún día: tal vez la clave se encuentre más en los terrenos del siquismo y la conciencia que en el reino de la física.

 

Especulativamente y para terminar podríamos sugerir que, según parecen predecirlo estas ecuaciones, si una nave pudiese alcanzar la velocidad de la luz, se crearía automáticamente a su alrededor  una especie de “portal” interdimensional o, más estrictamente hablando, un “portal” entre dos espacio-tiempos, debido a la alta concentración virtual  de masa (singularidad), que lo haría desaparecer literalmente de este universo para reaparecer en otro cuyo tiempo, es decir, su “cuarta dimensión”,  podría equivaler  a un eterno presente.

 

 

 

Referencias:

Geometry, Relativity and the Fourt Dimensión, Rudolf Rucker, Dover Publications, N.Y.

The Mathematics of Space Exploration, Myrl Ahrendt, Holt Library of Science, N. Y.

Teoría del Universo Multidimensional, Schabbath van Nes Ziegler, C.S.Z.-editor, Barcelona

 

 

 

 *   Analista de medios;  correo e:  mpazb53@hotmail.com