Relatividad especial: una visión alternativa sin transformaciones de Lorentz

Resumen

Los cambios de posición son siempre relativos a alguna referencia, no hay un cambio absoluto de posición. Implica que las velocidades también son relativas. El tiempo, entendido como cambio de estado de posición, también será relativo al serlo el cambio: v = e/t, si v y e son relativos, t también ha de serlo. La velocidad no puede ser infinita en el Universo físico, ello conduce a paradojas. 

En cambio las aceleraciones son absolutas: no pueden ser vistas como no existentes desde ningún sistema de referencia. Uno de sus efectos es: si el sistema que acelera está fijo respecto a otro sistema inercial, dejará de estarlo (pues acelera). Las aceleraciones consumen energía, pues al acelerar un cuerpo material aumenta su energía cinética a expensas de un aporte externo.

No obstante, cuando el cuerpo deja de acelerar, pasa a ser un sistema inercial, y su energía cinética es relativa, pudiendo ser vista como nula desde otra referencia inercial. Si tenemos que respetar el principio de conservación de la energía, para que la energía proporcionada durante la aceleración no se pierda, la única solución es suponer que esa energía es radiada y dispersada en el Universo. Siendo que tal aceleración puede ocurrir en el vacío absoluto, la energía radiada ha de poderse transmitir en ese vacío, tal como sucede con la radiación electromagnética.

Introducción

En este ensayo se deducen los principios de la teoria de la relatividad especial, la existencia de una velocidad límite c universal, la contracción relativista del espacio, la inercia relativista, y también tratamos brevemente sobre la aceleración, referencias no inerciales y la generación de ondas de deformación del espacio debidas a la aceleración. Para ello no usamos en ningún momento las transformaciones de Lorentz ni las masas inerciales relativistas, nos basamos en el concepto de estado de un sistema y deducimos lógicamente las propiedades anteriores sin utilizar notación matemática. Es el primero de una serie de artículos dedicados a la relatividad y a la cosmologia, desde una perspectiva no matemática, no para especialistas sino para el público interesado. Intentar entender de verdad, más allá de los formalismos matemáticos, la esencia de la teoría de la relatividad ha sido un objetivo fijo, perenne. La idea de escribir esta serie surgió de la reciente (abril 2018) muerte del famoso físico Stephen Hawking, uno de los más conocidos escritores de Física divulgativa de gran nivel. Es nuestro pequeño homenaje. 

Estados, cambio de estado y tiempo

En este ensayo definiremos el estado de un sistema o entidad física como el conjunto de propiedades que, dentro de nuestros límites de conocimiento, lo definen completamente, sin ambigüedad. Por ejemplo, el estado del ratón del ordenador desde el cual escribimos en un momento dado está en reposo, no se utiliza, en otro momento lo movemos, hay dos estados distintos que diferenciamos según si se mueve o permanece estático. 

En los sistemas mecánicos, estos es, aquellos que definimos en función de su movimiento, las propiedades que usamos son la posición, la velocidad, la aceleración, la trayectoria, etc. Una batería eléctrica tendrá un estado de carga. Un ser vivo tendrá un estado de equilibrio homeostático, sano, o un desequilibrio, una enfermedad, también un grado de desarrollo, o de decaimiento, y muchas otras propiedades. En relatividad especial, las propiedades que definen un sistema son su posición y su velocidad, podemos añadir su masa y su aceleración. 

Interesa también distinguir entre estado interno (o intrínseco), y estado externo (o relativo): el primero afecta al propio sistema, a su estructura o composición, mientras que el segundo sólo es perceptible por un observador externo; un cambio de posición de un objeto que se mueve con velocidad constante (una referencia inercial) no cambia nada en el objeto en sí mismo, pero es observado desde un observador externo como un cambio de estado: el objeto cambia de posición respecto al observador externo. La carga de una batería eléctrica es un estado interno, como lo es la salud de un ser vivo (la salud se relaciona con un equilibrio homeostático del organismo, si se pierde el equilibrio, se enferma). Los cambios de posición y velocidad son relativos, pero los cambios de masa y de aceleración son intrínsecos, son percibidos como tales desde la referencia del propio sistema.

El tiempo clásico, Newtoniano, considerado como entidad existente de forma independiente, nos parece que es un flujo continuo gracias al cual pueden producirse cambios en los estados de los sistemas: decimos que a medida que el tiempo transcurre, se descarga la batería, se mueve el ratón, envejecemos... Para poder controlar y predecir los cambios de estado hemos inventado los relojes, que son sistemas que vemos cambiar de estado de forma cíclica, oscilante, como las agujas de un reloj analógico, o las oscilaciones de un cristal de cuarzo, a los que añadimos una escala para medir el tiempo. 

Entonces, cambio de estado y tiempo están totalmente ligados: no hay cambio de estado posible sin tiempo, y no se puede detectar el paso del tiempo si no hay una percepción de algún cambio de estado: consideremos un sistema estático, sin cambios de estado, aislado; ese sistema será el mismo en cualquier instante pasado, presente o futuro, por lo que meramente observándolo no tendremos la percepción de ningún tiempo transcurrido; para ese objeto no hay tiempo, al no haber cambio alguno. Tan estrecha es la correlación que de hecho podemos intuir que son lo mismo: cambio de estado y tiempo son una sola cosa. Estamos más acostumbrados a relacionar espacio y tiempo como una única entidad, debido a que la teoría especial de la relatividad es una teoría fundamentalmente mecánica, basada en los conceptos mecánicos de posición y velocidad, y esos conceptos necesitan del marco de referencia "espacio" para poder ser definidos, pero de lo que se trata realmente es de cambios de estado mecánico.

Cuando asociamos el paso del tiempo a un cambio de estado externo de un sistema, ese tiempo sólo será perceptible desde el exterior del sistema, pero no desde el propio sistema, que no es afectado. El tiempo es relativo a quien observa el cambio de estado. El tiempo no es un flujo independiente de los objetos de va del pasado al futuro, y nosotros no somos viajeros en el tiempo, lo que sucede es un cambio de estado continuo que afecta a los sistemas de forma distinta.

El tiempo parece seguir la dirección pasado->futuro debido a que los cambios de estado en general son irreversibles: un vaso que cae de una mesa se rompe en pedazos al llegar al suelo, pero lo contrario nunca sucede, que los pedazos se reúnan espontáneamente y vuelvan a formar el vaso. Vemos que envejecemos de forma espontánea, pero lo contrario nunca sucede. Los procesos de cambio de estado espontáneos en la Naturaleza no son reversibles, sino irreversibles, y eso nos marca una flecha temporal pasado->futuro. En cambio si nos fijamos en la órbita de la Tierra alrededor del Sol, que tiene un sentido de giro, y nos imaginamos que girara en sentido contrario, no encontraremos contradicción, es perfectamente posible; el movimiento periódico orbital no lo consideramos un cambio de estado, el sistema aquí es el conjunto Sol-Tierra, y es estable, no hay tal cambio de estado; por eso mirando la película de la órbita de un planeta no podemos saber si la estamos viendo hacia adelante en el tiempo o hacia atrás, pues no hay cambio de estado irreversible detectable.

Entidades físicas atemporales

Por atemporal entendemos que no está sujeto a cambios de estado, hay una constancia, una permanencia continuada en el estado. Consideremos una partícula elemental, un neutrino, viajando por el espacio durante miles de años, emitido desde una estrella en una galaxia lejana. Es una partícula extremadamente ligera y pequeña, que viaja casi a la velocidad de la luz, y es capaz de atravesar la Tierra de polo a polo, pasando por su centro, sin ser detenida. Visto desde un observador, el neutrino se traslada, su estado mecánico está cambiando, pues su posición lo hace, y podemos medir el tiempo que transcurre entre una posición del neutrino y otra por medio de relojes. Este es un cambio de estado externo, no intrínseco, pues en el neutrino nada cambia. Visto desde el propio neutrino, al tener una velocidad constante, es un sistema inercial, su velocidad es relativa al medio, pero no le afecta en sí en nada medible ni perceptible; además el neutrino es totalmente estable, no experimenta cambios internos, y por ello podemos definirlo como entidad física intemporal. Vemos aquí la relatividad del tiempo desde otro punto de vista: depende de la percepción del cambio de estado. 

Sólo sistemas muy simples parece que pueden ser atemporales, los que tienen una estructura grande y compleja están sujetos a cambios internos; un átomo aislado es también muy estable (exceptuando los radioactivos), y una molécula también puede serlo: las moléculas de agua que nos forman todavía son las formadas hace 4.000 millones de años, y aunque se asocian a otras moléculas para formar compuestos químicos, la molécula en sí no varía, no hay cambio interno. Un organismo unicelular es virtualmente inmortal, a pesar de que tiene una organización compleja y que en su interior suceden procesos espontáneos irreversibles (bioquímicos), el organismo no degenera gracias a su intercambio de material con su entorno, y el conjunto total es estable. Al ir añadiendo complejidad, los sistemas se vuelven más inestables, más sujetos al cambio-tiempo. 

La atemporalidad no equivale a tener duración indefinida; por el hecho de interactuar con otras entidades puede suceder un cambio de estado intrínseco, irreversible; por ello una entidad intemporal puede tener un principio y un fin, de hecho es la única forma de cambiar una entidad intemporal: por interacción. El organismo unicelular es invadido por un virus y muere. El neutrino es emitido desde una estrella lejana, luego "nace", y quizá sea finalmente absorbido por otra estrella lejana, miles de años más tarde ... pero sólo según nuestra escala de tiempo medida por relojes, porque según el propio neutrino, no existe ningún cambio ni tiempo entre su emisión y su absorción, pues él no cambia de estado interno en todo el largo viaje.

Paralelismos con la conciencia

En los tanques de aislamiento sensorial se evitan todas las informaciones sensoriales, manteniendo al sujeto en plena vigilia; si el cuerpo está sano y estable, se experimenta una plena conciencia sin ningún objeto de referencia, y por tanto sin poder experimentar cambios en nada, y por ello se pierde toda noción del tiempo. Esta sensación psicológica coincide con nuestra definición de tiempo-cambio de estado, la mente al ser privada de información sobre cambios de estado pierde también el sentido del tiempo. También en meditación frecuentemente se propone entrenar la habilidad de permanecer presente en el aquí-ahora; si el meditador se aísla, o bien a voluntad ignora la información sensorial, detiene el flujo de pensamientos y se obliga a simplemente estar presente, se experimenta esa sensación de intemporalidad. Se podría aventurar, siguiendo a los ejemplos de la Física, que la conciencia debe de ser una funcionalidad básica de la mente para que pueda experimentar atemporalidad, si fuera compleja o compuesta, seguramente no le seria posible. 

La velocidad es relativa

Veamos ahora los conceptos de espacio recorrido y velocidad aplicando la inexistencia de un tiempo independiente que fluye, sustituyéndolo por los procesos de cambio de estado. El estado mecánico de un objeto que se mueve en línea recta con velocidad constante (sistema inercial) es el caso más simple: se define por su posición x y por su velocidad v. La velocidad es una relación simple entre espacio recorrido e = Δx e intervalo de tiempo Δt empleado en recorrer ese espacio: v = Δx/Δt, y el cambio de estado mecánico se define como el cambio de posición Δx debido a la velocidad. En ausencia de relojes, la única forma de detectar el cambio temporal es a través del cambio de posición debido a  la velocidad, pero visto desde el sistema en movimiento, no se aprecia cambio de posición, sólo puede verse desde fuera del sistema:  en un sistema inercial el movimiento propio y la velocidad como propiedad intrínseca del sistema no tiene sentido, no existe. Es el típico ejemplo: viajamos en un tren que se mueve con total suavidad, y vamos leyendo; en un momento dado, no sabemos si no es estamos moviendo o no, a menos que miremos por la ventana, pues la velocidad del tren no está definida como algo intrínseco al tren, sólo tiene sentido verla como magnitud relativa a otro objeto. Esto tiene sentido visto desde la relatividad del cambio de posición.

En particular, que la velocidad sea relativa a la referencia desde la que observemos un objeto móvil significa que siempre habrá una referencia desde la cual el objeto no se mueve, se verá como estático: será cualquier referencia que se mueva a la misma velocidad que el objeto. 

La velocidad no puede ser arbitrariamente grande

Supongamos que la velocidad relativa puede tomar un valor arbitrariamente grande; entonces,  para cualquier velocidad dada, siempre podríamos incrementarla sin límite.  Por tanto, dada cualquier referencia, por muy rápida que se moviera, siempre podríamos tener objetos mucho más rápidos, de forma que su velocidad nunca podría ser vista como nula: la velocidad infinita sería una velocidad absoluta. Cualquier velocidad finita podrá ser igualada y pr tanto ser vista como nula, pero no la velocidad infinita.

El sujeto azul se mueve a gran velocidad, el verde lentamente. Para el azul, el verde prácticamente no se mueve, de forma que para cubrir un cierta distancia necesitará mucho tiempo. En el límite de velocidad ∞ para el azul, el verde no se moverá, luego necesitará un tiempo ∞ para moverse.

Desde una referencia con una velocidad arbitrariamente grande respecto a otra referencia "fija", cualquier cambio de estado de posición, y cualquier velocidad por grande que sea de un objeto, puede reducirse a nulo, o sea, a verse como si no hubiera dicho cambio de estado, como si no se moviera en absoluto.

La velocidad infinita plantea pues una paradoja: desde esa referencia el Universo es estático, fijo, no hay cambios de posición, y por tanto no hay tiempo;  es más, los objetos son vistos como sin dimensiones, pues la distancia entre sus extremos es vista como nula, en resumen, no se distingue ni espacio ni tiempo.  Tal objeto con velocidad infinita, visto desde referencias inerciales con velocidades finitas, no tiene una posición definida, no puede localizarse, es como si no existiera. Así que el objeto ve un Universo nulo, sin distancias ni tiempo, y el Universo no lo ve a él.  El objeto con velocidad infinita no es una referencia inercial válida, pues desde él ninguna medida es posible.

Hay también dificultades con la velocidad infinita si pensamos en términos de aceleraciones: un objeto moviéndose  a velocidad infinita, ¿puede ser acelerado? Si no puede serlo, entonces su velocidad será un límite superior, y por tanto no será infinita; si puede ser acelerado, entonces existen velocidades aún superiores, y tampoco será pues infinita. Vemos que el infinito es un concepto más bien teórico, matemático, pero si lo queremos materializar físicamente encontramos paradojas y dificultades.  Asumamos que la velocidad en el Universo físico no puede ser infinita.

El límite universal de velocidad c

Si hay un cambio de posición, y por tanto de estado, debería de haber siempre un tiempo no nulo, ya que el tiempo se relaciona con un cambio de estado. Si no podemos reducir hasta cero el tiempo empleado en el cambio de posición, entonces  debe de haber un tiempo mínimo m no nulo para cualquier cambio de estado dado, que no puede ser reducido.  Expresado matemáticamente: dado un cambio de posición cualquiera Δx de un objeto, medido desde una referencia, el tiempo empleado Δt dependerá de la referencia, y en todo caso tendrá un valor mínimo no nulo, Δt > m. Este valor mínimo de tiempo m dependerá de la distancia Δt. La velocidad máxima será pues, la definida por  c = Δx / m.

Tal como lo hemos deducido, la velocidad límite dependería de la situación concreta: para una distancia d1 tendríamos la velocidad límite c1 = d1/m, para otra distancia d2 tendríamos la velocidad límite c2 = d2/m, etc, siendo la velocidad mayor conforme la distancia aumenta, por tanto para distancias arbitrariamente grandes tendríamos velocidades también arbitrariamente grandes, y de nuevo existirían velocidades ilimitadas desde las cuales se verían como nulos cambios de posición menores ... caemos de nuevo en la contradicción. Por ello, si existe una velocidad límite c para cualquier movimiento,  debe de ser la misma para todos ellos, ha de ser una constante universal. 

La existencia de una velocidad límite c universal impide por tanto de forma coherente la  contradicción de que un cambio de estado de posición, que consideramos real, no ficticio, pueda ser visto como nulo desde una referencia muy rápida. Se deduce que el tiempo mínimo m no es una constante universal, es variable, dependiendo de la situación, pero no puede nunca ser cero, ya que eso equivaldría a anular el cambio de posición. Esto es coherente, pues significa que la magnitud del cambio de posición sí que es relativa, pero el cambio en sí, el hecho de cambiar el estado, eso es absoluto.

Contracción y dilatación del tiempo y del espacio

Acabamos de decir que la magnitud del cambio de posición Δx es relativa aunque no puede ser nunca nula. Es una afirmación equivalente a decir que la distancia recorrida entre dos puntos no es vista de la misma forma desde todas la referencias: según la referencia que usemos se verá mayor o menor, es el efecto conocido como contracción / dilatación del espacio recorrido. Inmediatamente deducimos que lo mismo ha de suceder con el tiempo, pues hemos establecido que tiempo y cambio de estado son una misma cosa, el tiempo también se contraerá o expanderá según la referencia desde la cual observemos un movimiento. No es necesario deducir las expresiones matemáticas que nos dan las magnitudes de contracción / expansión pues ya están sobradamente explicadas en multitud de textos; basta con tomar la constancia de la velocidad límite como base de partida para deducir las expresiones. La novedad de este enfoque que estamos realizando es la de deducir lógicamente los principios básicos de la relatividad especial a partir del concepto cambio de estado-tiempo, sin recurrir a la luz y su velocidad, ni a las ecuaciones de Lorentz. Hay otro punto importante: no estamos suponiendo la existencia de un "espacio-tiempo", sino de un espacio y unos cambios de estado en ese espacio; en el caso concreto de los estados de posición relativos, suceden en el espacio, no puede haber cambio de estado de posición sin espacio.

Inercia y energía

Hasta ahora hemos hablado de velocidades constantes (referencias inerciales), entremos en el tema de la aceleración, que es un aumento o disminución de la velocidad. Sabemos que el cambio de posición con velocidad constante es relativo, no es un cambio de estado intrínseco del sistema; en el caso de un sistema acelerado sí se nota el efecto en el propio sistema: un pasajero en un tren que acelera, en un coche que frena, en un ascensor que arranca, nota claramente el empuje, hay un cambio intrínseco al sistema, que es perceptible desde el propio sistema: el sistema acelerado deja de ser inercial. 

Un cambio de estado intrínseco lo asociamos a un intercambio de energía del sistema con su entorno; puede haber un motor térmico convirtiendo la energía de la combustión en cambio de estado mecánico, o un motor eléctrico, etc. Si está frenando, se libera energía en forma de calor, radiado por los frenos. Hay una excepción importante: si el móvil está acelerando debido a la gravedad, entonces no es necesario convertir el intercambio de energía, pero no trataremos aquí con la gravedad. La cantidad de energía se conserva, sólo cambia el tipo de energía. Cuando aceleramos un móvil consumiendo energía exterior, asumimos que se convierte en energía cinética del móvil. La energía es un concepto muy útil: es la capacidad potencial de producir acciones, cambios en sistemas, y toma diferentes formas. 

¿Qué es la energía cinética? Se relaciona con el concepto de inercia: la "resistencia" de un móvil a cambiar de estado dinámico; para acelerar o frenar un ciclomotor de 100Kg necesitamos menos energía que para un coche de 1.000Kg, pero más de la que necesita un ciclista de 60Kg. A mayor masa, más inercia, y a más inercia, más energía se necesita aplicar, que se convertirá en energía cinética del móvil. 

Supongamos ahora que aplicamos una aceleración a muy elevada a un cohete en el espacio exterior. Si lo miramos desde una referencia inercial que tomamos como "fija" veremos que  el cohete irá adquiriendo más velocidad y más velocidad ... pero no puede superar la velocidad límite universal c ¿qué sucederá al alcanzarla? ¿se apagaran misteriosamente los propulsores? Seguro que no. 

Si el empuje es constante, la energía cinética E proporcionada ha de seguir aumentando sin límite, incluso aunque la velocidad v sí tenga el límite superior c. Para ello, sólo hay una posibilidad: la inercia no puede ser constante, sino que ha de aumentar con la velocidad, y además ha de hacerlo de forma abrupta, impidiendo superar el límite de velocidad; en la siguiente tabla se ha usado la transformación de Lorentz para ilustrarlo, la velocidad se da en fracción del límite c, y se toma la inercia como 1 para v = 0,01c, observamos que la inercia crece lentamente al pasar de 0,01c a 0,1c (diez veces más velocidad) pero mucho más rápido a pasar de 0,999c a 0,9999c, un incremento de sólo un 0,09% en la velocidad produce más del triple de inercia.

velocidad	0,01	0,1	0,5	0,9	0,99	0,999	0,9999
inercia	1,000	1,005	1,155	2,294	7,089	22,366	70,712

Este aumento abrupto de la inercia y de la energía cinética al acercarse la velocidad al límite c ha sido comprobado experimentalmente.

Invariancia de la masa como medida de la cantidad de materia

La masa de un objeto material, considerada como una medida de la cantidad de materia que contiene (especificando más, de la suma de masas de sus átomos constituyentes) es siempre la misma considerada desde cualquier sistema de referencia, tanto si es inercial como si no: es un invariante, una propiedad intrínseca, fija, del sistema. En la formulación clásica de la relatividad especial se utiliza además el concepto de masa inercial: en "reposo" (recordemos que tanto el movimiento como el reposo son conceptos relativos) la masa material y la inercial coinciden, pero para velocidades elevadas difieren. Es una forma de presentar el concepto de inercia relativista decir que la inercia depende de la masa inercial. No seguiremos este planteamiento pues se basa en definir una masa ficticia que sólo existe para el observador.

Conservación de la energía vista desde referencias no inerciales

A medida que pase el tiempo el nivel de combustible del cohete desciende: se está consumiendo energía en la combustión que se transforma íntegramente en energía cinética; hay pues conservación de la energía. Así se verá desde cualquier referencia inercial externa al cohete.

Pero, ¿cómo se verá la situación desde el cohete? No es una referencia inercial, pues está sujeta a aceleración; "sentirá" un empuje constante, y a medida que pase el tiempo se verá que el nivel de combustible desciende, se está consumiendo la energía del combustible, pero dado que la velocidad no es intrínseca sino relativa, la energía se invierte en crear la aceleración, no la velocidad. Podemos ver esto si pensamos que, después de un largo tiempo, apagamos los motores. En ese momento cesa la aceleración y el cohete es un sistema inercial como cualquier otro, si está en el espacio exterior, no tiene ninguna referencia para determinar su velocidad, podría estar tanto en "reposo" como en movimiento ... pero la energía que se ha gastado, el combustible empleado, ¿dónde se ha ido? Desde el punto de vista de la propia referencia no inercial, la energía generaba aceleración, y al acabar la aceleración, la energía simplemente "desapareció", ¿qué paso con ella? La explicación trasciende el marco de la relatividad especial: la aceleración, que intrínsecamente no se diferencia de la gravitación, produce como ésta una deformación en el espacio (no usamos el término habitual espacio-tiempo, pues nuestro planteamiento presupone que el tiempo no es más que un nombre para los cambios de estado); lo podemos imaginar como la estela producida en el agua por una embarcación que avanza rápidamente, la estela también es una deformación de la superfície plana del agua.

Un objeto acelerando producirá una deformación en el espacio 

La deformación se expandirá por el Universo en la forma de ondas (que cuando son causadas por gravitación se denominan ondas gravitacionales), tal como la estela lo hará en forma de ondas de agua por el océano; por ello, la energía del Universo sí se conserva, aunque desde el punto de vista del cohete se pierda. 

La velocidad de la luz

En todo lo que antecede no hemos utilizado la propagación de la luz, se han deducido los principios de la relatividad especial sin recurrir a las ondas electromagnéticas. Pero la discusión quedaría incompleta si no relacionamos el límite universal de velocidad c con la luz.  ¿Por qué se da la coincidencia de que la luz se transmite a la máxima velocidad posible c? 

Recordemos que la luz no tiene masa; supongamos que su velocidad de transmisión fuera inferior a c.  Sería entonces, en principio, posible acelerar la luz hasta el límite c proporcionándole una energía suplementaria ... pero la teoría electromagnética nos explica que la luz no se comporta así, un incremento de energía de la radiación afecta a su frecuencia y/o a su intensidad: la luz roja es menos energética que la azul, y la cantidad de luz en un cierto volumen se muestra como una intensidad de luz; pero la velocidad de transmisión depende de la naturaleza ondulatoria de la radiación, y es la que es, no varía. Pasa como con el sonido: tiene una velocidad de propagación característica, que no varía con la energía del sonido, en todo caso cambiará la frecuencia e intensidad, no la velocidad.

El sonido es una onda mecánica, se comprime y distiende el aire de forma armónica, y se propaga la perturbación. La luz es una perturbación electromagnética, no necesita ningún medio para transmitirse, puede hacerlo en el vacío absoluto. Puede hacerlo porque las ondas electromagnéticas son auto-sostenidas, son su propio apoyo, por decirlo así. Y por este motivo, su velocidad de transmisión no es relativa a nada externo, al contrario, su velocidad es una propiedad intrínseca, propia. 


Si un sistema posee una velocidad intrínseca, no relativa, significa que no puede ser modificada por un cambio de perspectiva, por mirarla desde una referencia u otra: la velocidad de la luz debe de ser la misma para cualquier sistema de referencia inercial, de otro modo no sería una velocidad intrínseca, sino relativa. Pero la única forma de que una velocidad no sea relativa sino absoluta, la misma para cualquier sistema de referencia, es que esa velocidad sea precisamente la velocidad límite c. Si no fuera así, podríamos observar la luz desde sistemas de referencia más rápidos que ella, desde los cuales la luz parecería retroceder en vez de avanzar (adelantaríamos a la luz). 

Concluimos pues que toda velocidad relativa ha de ser menor que c, y que toda velocidad absoluta ha de ser igual a c. Además, debido al crecimiento abrupto de la inercia conforme nos acercamos a la velocidad c, necesariamente la luz ha de tener inercia nula (no consideramos aquí la denominada presión de radiación de la luz), y en particular, masa nula, como efectivamente sucede. 

La velocidad v de cualquier partícula sin masa ha de ser v = c

Pero no sólo la luz (más exactamente, las ondas electromagnéticas, o en lenguaje cuántico, los fotones) sino que cualquier partícula con masa m nula resulta que sólo puede estar moviéndose a la velocidad absoluta v = c. ¿Cómo es eso? Si nos imaginamos una partícula sin masa en reposo, al no tener masa inercial, incluso una aceleración ínfima produciría en la partícula una aceleración infinita, y la Naturaleza no admite infinitos, es un concepto matemático muy útil pero irreal que siempre lleva a paradojas. La única opción que tenemos para partículas sin masa es que se muevan siempre a la única velocidad absoluta que existe, v = c, de forma que esa velocidad no pueda ser vista como nula desde un sistema inercial en movimiento, desde el cual volveríamos a encontrarnos con la posibilidad de aceleraciones infinitas. 

Otra forma de decir lo mismo es: las entidades con masa sólo pueden tener velocidades relativas, y por tanto siempre existirán referencias desde las cuales tales entidades estén en reposo, mientras que las entidades sin masa sólo pueden tener la velocidad absoluta, no reducible al reposo desde ninguna referencia. 

Una partícula sin masa no puede producir ondas gravitatorias al moverse, y por tanto no perderá por irradiación energía, pues tales ondas se producen al acelerar una entidad, y al moverse a la velocidad límite no puede admitir ninguna aceleración. Por ello, la partícula seguirá moviéndose siempre a la velocidad límite c.  Esta explicación vale también para la luz, si la vemos como un haz de fotones.

Conclusiones

Relacionando tiempo con cambios de estado hemos mostrado que el tiempo no es un flujo constante independiente de los sucesos, al contrario, depende totalmente de los cambios de estado, como por ejemplo los cambios de posición en el espacio. A partir de ahí, hemos visto que las velocidades de los sistemas con masa son relativas y siempre inferiores a un límite universal de velocidad denominado c. el cuales la única velocidad absoluta, en el sentido de que no puede verse como nula por un cambio de sistema de referencia. A continuación hemos visto que se hace necesario suponer que la inercia, presentada como la necesidad de aporte de energía para acelerar una masa, aumenta con la velocidad, y de ahí hemos repasado la conservación de la energía, llegando a la conclusión de que en el caso de un sistema acelerado la energía proporcionada debe disiparse en el espacio en forma de ondas gravitatorias, dejándonos a las puertas de la relatividad general. Por último, hemos considerado el movimiento de partícula sin masa y hemos mostrado que su velocidad ha de ser absoluta.

Referencias

• https://www.physicsforums.com/threads/does-increased-velocity-increase-gravity.74477/ , Measuring the active gravitational mass of a moving object, D.W. Olson
• https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01474982/document
• An Alternative Theory on the Spacetime of Non-inertial Reference Frame

El límite de velocidad c

En este breve artículo esbozo unas ideas que creo que son innovadoras sobre la naturaleza de la velocidad de la luz en el vacío, c, como límite superior de velocidad. Deducir el valor exacto no es mi propósito, sino más bien intentar mostrar porqué existe un límite superior para la velocidad válido para cualquier móvil sea de la naturaleza que sea.

Velocidad, espacio y tiempo

La velocidad es una ratio o relación entre la variación de la posición de un "objeto móvil", que representamos por Δe y la variación del tiempo empleado en el cambio de posición, representado por Δt; por tanto, definimos v = Δe / Δt. A esta velocidad se la denomina velocidad media, mientras que la velocidad instantánea se define haciendo el límite cuando Δt tiende a ser la diferencial dt : v = de / dt, o sea la derivada de la función posición respecto a la variable tiempo. Para la discusión que sigue, no necesitamos hacer distinciones entre ambas definiciones. 

De esta simple definición no puede derivarse ningún límite a la velocidad; a medida que el móvil recorre una distancia dada en menos tiempo, la velocidad se incrementa sin límite superior. Fue la teoría de la relatividad especial la que descubrió que debe de haber un límite, que es precisamente el de la velocidad de la luz en el vacío, c, y lo hizo mostrando que de otro modo habrían incoherencias con la descripción de las leyes físicas en diversos sistemas de referencia en movimiento entre sí. Esto está ampliamente explicado en muchísimos textos y no lo trataremos aquí. Pero aún se plantea la pregunta ¿cómo puede ser que haya ese límite?, pues no es nada intuitivo para nuestra mente imaginar que no se puede incrementar la velocidad indefinidamente. Hace pocos días vi planteada esta pregunta en una red social de investigadores, y las respuestas eran muy técnicas, y por tanto, de nuevo, nada intuitivas. 

Espacio-tiempo y masa

Desde el "punto de vista" (más exactamente, desde el sistema de referencia) de un fotón, el cuanto de energía electromagnética, o en general, desde el punto de vista de la energía libre, no ligada a ningún objeto material, no existen las posiciones, ni el espacio, ni el tiempo; la realidad desde el punto de vista de la energía libre es un eterno aquí-ahora, sin separaciones. Esta afirmación, que puede parecer al lector algo mística, es consecuencia directa de la relatividad especial. En efecto, en relatividad el tiempo es relativo al sistema de referencia, y la relación entre el tiempo medido en dos sistemas distintos es:

Cuando la velocidad V del sistema de referencia en movimiento se hace igual a c, el denominador se anula y el tiempo medido en ese sistema se hace igual a ∞. ¿Que significa esto?  El reloj que mide el tiempo propio del sistema de referencia "energía libre" se para, de forma que cualquier cambio de posición necesita de un tiempo infinito para producirse. Esto puede verse también desde el punto de vista del espacio; la relación entre longitudes entre dos sistemas de referencia es:

Cuando v = c, vemos que la longitud del sistema "energía libre" se hace igual a 0, esto es, no hay longitudes, no hay distancias desde el "punto de vista" de la energía libre. Es por esto que el tiempo propio se hace infinito, pues no pueden haber cambios de posición, pues no hay distancias. 

Esta situación requiere que el sistema de referencia sea el de la energía libre; cuando la energía está ligada, o bien se produce masa, o bien la energía es absorbida por la materia. En efecto, también de la relatividad especial conocemos la relación E = mc² que relaciona masa con energía ligada. Cuando la luz que nos rodea incide sobre los objetos materiales, parte es reflejada y parte es absorbida por la materia. La misma materia que nos rodea es una energía fabulosa condensada. En el momento que la energía no es libre, sino que se relaciona con materia, o bien forma materia, en ese momento tiene sentido hablar de espacio-tiempo, pues la ligadura crea una posición en el espacio. Así pues, podemos decir que la presencia de masa crea el espacio-tiempo, y que en ausencia de masa no existe nada que pueda definirse como espacio o tiempo.

Significado del límite de velocidad

Supongamos que dos partículas con muy poca masa, procedentes de extremos opuestos de un acelerador de partículas, o de estrellas lejanas, tanto da, se acercan una a la otra, y cada una de ellas tiene una velocidad, en nuestro sistema de referencia, próxima a c, digamos, 0.9c. Sabemos por la relatividad que la velocidad relativa entre las dos partículas no será 0.9c + 0.9c = 1.8c  sino que se calculará con las transformaciones de Lorentz y siempre será menor que c. ¿Pero porque sucede esto, más allá de las ecuaciones? Evidentemente ha de ser una propiedad del espacio-tiempo la que lo explique. Hay que enfocarlo al revés: no es que haya un límite de velocidad, es que la materia está en el espacio-tiempo, y la energía libre no. Las partículas "casi inmateriales" están en el limbo entre materia y energía libre, pueden tener velocidades cercanas a c, pero aún están sometidas al espacio-tiempo. Además, recordemos que la velocidad es siempre relativa: es a nosotros, seres materiales, que nos parece medir una velocidad finita, pero para la energía es un concepto que no existe.

Entonces tenemos dos cuestiones relacionadas, con respuestas distintas:

1. ¿Porqué hay una velocidad límite? El hecho de que exista el concepto de velocidad es debido a que existe un espacio-tiempo, el cual es generado por la presencia de materia, que es energía condensada. Desde el punto de vista referencial de la materia hay velocidad, desde el punto de vista de la energía libre no la hay. Supongamos que no existiera tal límite de velocidad; entonces en teoría un cuerpo material podría alcanzar una velocidad infinita. A esa velocidad, el cuerpo tendría el mismo "punto de vista" que la energía libre: el tiempo empleado en moverse entre dos puntos sería cero, y por tanto la distancia aparente sería también cero. Ese objeto estaría en todas partes a la vez, en un único instante; pero ese estado es contradictorio con su propia existencia como objeto con unas dimensiones y una posición, las cuales quedarían indeterminadas ... simplemente no sería un objeto material. 
2. ¿Porqué esa velocidad límite es precisamente c, y para todos los objetos y todo el Universo? Esta pregunta es la que contesta la teoría de la relatividad.

En cambio no hay límite teórico para la aceleración

Si no hay espacio ni tiempo, no se puede definir la velocidad, ni tampoco la aceleración. En presencia de masa, tenemos espacio-tiempo, posición, velocidad, pero además se genera gravedad, la cual incluye la presencia de una aceleración intrínseca. Curiosamente no hay un límite teórico para la aceleración, como sí lo hay para la velocidad. ¿Porqué? En realidad debe de ser así, pues habiendo un límite para la velocidad en el espacio-tiempo, la aceleración necesaria para alcanzar esa velocidad ha de ser infinita.


Esto es así debido al cambio de masa producido a medida que aceleramos un objeto, M = ɣm  donde M es la masa en movimiento, m la masa en reposo y ɣ es el factor de Lorentz, que tiende a infinito cuando la velocidad se acerca a c. No tenemos que imaginar que el objeto va adquiriendo materia a medida que acelera, lo que gana es masa inercial, o sea resistencia al cambio de velocidad.

Siendo equivalentes la masa inercial y la gravitatoria (principio de equivalencia de la relatividad general) se infiere que no hay límite para la aceleración causada por la gravedad. Ahora bien, en las cercanías de un agujero negro, la materia es acelerada tan fuertemente que el tiempo de aceleración es corto, la materia se disgrega en partículas fundamentales, las cuales se precipitan al agujero negro a velocidades cercanas a la de la luz.