¿Por qué cambia el tiempo cuando se viaja cerca de la velocidad de la luz? Un físico explica

Imagina que estás en un automóvil conduciendo por el país observando el paisaje. Un árbol en la distancia se acerca a su automóvil, pasa justo a su lado y luego se aleja nuevamente en la distancia detrás de usted.

Por supuesto, sabes que ese árbol en realidad no se está levantando y caminando hacia ti o alejándose de ti. Eres tú en el auto que se está moviendo hacia el árbol. El árbol se mueve solo en comparación o en relación con usted; eso es lo que los físicos llaman relatividad. Si tuviera un amigo parado junto al árbol, lo vería moverse hacia él a la misma velocidad que usted lo ve moverse hacia usted.

En su libro de 1632 "Diálogo sobre los dos principales sistemas del mundo", el astrónomo Galileo Galilei describió por primera vez el principio de la relatividad: la idea de que el universo debe comportarse de la misma manera en todo momento, incluso si dos personas experimentan un evento de manera diferente porque una se mueve con respecto al otro.

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Si estás en un automóvil y lanzas una pelota al aire, las leyes físicas que actúan sobre ella, como la fuerza de la gravedad, deben ser las mismas que actúan sobre un observador que mira desde el costado de la carretera. Sin embargo, mientras ves que la pelota se mueve hacia arriba y hacia abajo, alguien al costado de la carretera verá que se acerca o se aleja de ellos, así como también hacia arriba y hacia abajo.

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La relatividad especial y la velocidad de la luz

Albert Einstein propuso mucho más tarde la idea de lo que ahora se conoce como relatividad especial para explicar algunas observaciones confusas que no tenían una explicación intuitiva en ese momento. Einstein usó el trabajo de muchos físicos y astrónomos a fines del siglo XIX para armar su teoría en 1905, comenzando con dos ingredientes clave: el principio de la relatividad y la extraña observación de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores y nada se puede mover más rápido. Todos los que midan la velocidad de la luz obtendrán el mismo resultado, sin importar dónde se encuentren o qué tan rápido se muevan.

Digamos que estás en el automóvil conduciendo a 60 millas por hora y tu amigo está parado junto al árbol. Cuando lanzan una pelota hacia ti a una velocidad de lo que ellos perciben como 60 millas por hora, podrías pensar lógicamente que observarías a tu amigo y al árbol moviéndose hacia ti a 60 millas por hora y la pelota moviéndose hacia ti a 120 millas por hora. Si bien eso está muy cerca del valor correcto, en realidad es un poco incorrecto.

Esta discrepancia entre lo que cabría esperar al sumar los dos números y la respuesta verdadera crece a medida que uno o ambos se acercan a la velocidad de la luz. Si estuvieras viajando en un cohete moviéndose al 75% de la velocidad de la luz y tu amigo lanza la pelota a la misma velocidad, no verías que la pelota se mueve hacia ti al 150% de la velocidad de la luz. Esto se debe a que nada puede moverse más rápido que la luz: la pelota aún parecería moverse hacia ti a una velocidad menor que la de la luz. Si bien todo esto puede parecer muy extraño, hay mucha evidencia experimental para respaldar estas observaciones.

La dilatación del tiempo y la paradoja de los gemelos

La velocidad no es el único factor que cambia en relación con quién está haciendo la observación. Otra consecuencia de la relatividad es el concepto de dilatación del tiempo, por el cual las personas miden diferentes cantidades de tiempo que pasan dependiendo de qué tan rápido se mueven entre sí.

Cada persona experimenta el tiempo normalmente relativo a sí misma. Pero la persona que se mueve más rápido experimenta que pasa menos tiempo que la persona que se mueve más despacio. Solo cuando se vuelven a conectar y comparan sus relojes, se dan cuenta de que un reloj dice que ha pasado menos tiempo mientras que el otro dice más.

Esto lleva a uno de los resultados más extraños de la relatividad: la paradoja de los gemelos, que dice que si uno de un par de gemelos hace un viaje al espacio en un cohete de alta velocidad, regresará a la Tierra y descubrirá que su gemelo ha envejecido más rápido que él. Es importante tener en cuenta que el tiempo se comporta "normalmente" tal como lo percibe cada gemelo (exactamente como está experimentando el tiempo ahora), incluso si sus medidas no están de acuerdo.

Quizás se esté preguntando: si cada gemelo se ve a sí mismo como estacionario y el otro moviéndose hacia ellos, ¿no medirían cada uno al otro como si envejeciera más rápido? La respuesta es no, porque ambos no pueden ser mayores en relación con el otro gemelo.

El gemelo en la nave espacial no solo se mueve a una velocidad particular donde el marco de referencia permanece igual, sino que también acelera en comparación con el gemelo en la Tierra. A diferencia de las velocidades que son relativas al observador, las aceleraciones son absolutas. Si te subes a una báscula, el peso que estás midiendo es en realidad tu aceleración debido a la gravedad. Esta medida permanece igual independientemente de la velocidad a la que la Tierra se mueva a través del sistema solar, o el sistema solar se mueva a través de la galaxia o la galaxia a través del universo.

Ninguno de los gemelos experimenta ninguna extrañeza con sus relojes a medida que uno se acerca a la velocidad de la luz: ambos experimentan el tiempo con tanta normalidad como tú o yo. Solo cuando se reúnan y comparen sus observaciones, verán una diferencia, una que está perfectamente definida por las matemáticas de la relatividad.

Artículo original publicado en The Conversation, escrito por Michael Lam, profesor Asistente de Física y Astronomía en el Instituto de Tecnología de Rochester.