La relatividad y el espacio-tiempo
Introducción
Aunque la teoría de la relatividad tiene ya más de 100 años y a pesar de que Einstein, el espacio-tiempo y los agujeros negros son ciertamente populares, la ignorancia del público sobre las implicaciones que la teoría tiene sobre la realidad es muy grande.
La teoría de la relatividad especial enunciada por Einstein en 1905 fue una respuesta al hecho experimental de que la velocidad de la luz es una constante universal independiente del observador. Esto tiene como consecuencia que no existe un tiempo universal como ha considerado nuestra intuición y toda la física clásica sino que cada observador en movimiento mide su propio tiempo en su propio marco de referencia.
Fue Hermann Minkowski el que se dio cuenta de las implicaciones más profundas de los postulados de la teoría. Si dos observadores en movimiento relativo tienen diferentes tiempos y en consecuencia conjuntos diferentes de eventos simultáneos (relatividad de la simultaneidad), forzosamente deben tener también diferentes espacios. El espacio y el tiempo están relacionados en un estructura geométrica a la que Minkowski llamó espacio-tiempo. Lo anunció así en 1908:
Las ideas sobre el espacio y el tiempo que deseo mostrarles hoy descansan en el suelo firme de la física experimental, en la cual yace su fuerza. Son ideas radicales. Por lo tanto, el espacio y el tiempo por separado están destinados a desvanecerse entre las sombras y tan solo una unión de ambos puede representar la realidad.
Al principio Einstein consideró el trabajo de Minkowski como un mero truco matemático, pero finalmente entendió que la interpretación geométrica del espacio-tiempo era fundamental para la incorporación de la gravedad a la teoría. En 1915 publicó la teoría de la relatividad general, donde la gravedad aparece como consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo.
El espacio-tiempo descrito por Minkowski y que se desprende de los postulados de la relatividad es una estructura de cuatro dimensiones, un continuo que contiene todo el espacio y todo el tiempo. Es conocido en la filosofía del tiempo como el universo-bloque. Es el observador el que descompone en su marco de referencia este continuo de cuatro dimensiones en un espacio de tres dimensiones y en tiempo. En palabras del propio Einstein:
Dado que en esta estructura cuatri-dimensional ya no hay secciones que representen de un modo objetivo el "ahora", los conceptos de "suceder" y "devenir" no quedan eliminados completamente, pero sí se complican. Por lo tanto, parece más natural considerar la realidad física como una existencia cuatri-dimensional y no como se ha hecho hasta ahora, como la evolución de una existencia tridimensional.Y en su famosa carta de pésame a la hermana de su amigo Besso:
Para nosotros, físicos convencidos, la distinción entre pasado, presente y futuro es sola una ilusión, por persistente que esta sea.
El espacio-tiempo como un continuo que incluye todo el espacio y todo el tiempo además de ser ciertamente contra-intuitivo presenta un "problema" que parece inaceptable para muchos, y es que conduce al eternalismo: todos los eventos que consideramos como pasados, presentes y futuros son coexistentes en el universo-bloque. El espacio-tiempo se creó en un instante y los eventos no han venido sucediendo consecutivamente desde el origen, sino que todos existen desde el principio. El Big-Bang se encuentra por tanto al inicio del espacio-tiempo pero no es su causa.
El presentismo es una filosofía que se opone a la relatividad afirmando que solo existe el presente al que llamamos "ahora". Donde más evidente se hace su contradicción con la relatividad es al afirmar que existe una simultaneidad absoluta: solo existe el presente. Esto implica que todos los observadores en movimiento relativo deberían compartir el mismo conjunto de eventos simultáneos. El problema es que al contradecir la relatividad, contradice la evidencia experimental que condujo a la teoría. La relatividad de la simultaneidad tiene como consecuencia el fenómeno conocido como dilatación temporal, comprobado empíricamente por ejemplo con los sistemas de navegación GPS o el experimento de los muones. El presentismo contradice la evidencia experimental y es por tanto falso.
En resumen, el espacio-tiempo es una ESTRUCTURA GEOMÉTRICA que contiene todo el espacio y todo el tiempo. Los fenómenos asociados a la relatividad solo se pueden interpretar correctamente desde este punto de vista geométrico. Como muestra de esto podemos citar el conocido ejemplo del reloj de luz. Aunque es relativamente sencillo de entender, plantea una paradoja: todos los observadores advierten que los relojes en movimiento atrasan respecto al suyo, ya que el movimiento es relativo. ¿Cómo es eso posible? Lo analizaremos en el Diagrama 11: dilatación temporal recíproca.