Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula en el que se aprecia como un mismo fenómeno puede ser percibido en dos modos distintos.
Interpretación de Copenhague
Para describir la teoría de forma general es necesario un
tratamiento matemático riguroso, pero aceptando una de las tres
interpretaciones de la mecánica cuántica (a partir de ahora la Interpretación
de Copenhague), el marco se relaja. La mecánica cuántica describe el estado
instantáneo de un sistema (estado cuántico) con una función de onda que
codifica la distribución de probabilidad de todas las propiedades medibles, u
observables. Algunos observables posibles sobre un sistema dado son la energía,
posición, momento y momento angular. La mecánica cuántica no asigna valores
definidos a los observables, sino que hace predicciones sobre sus
distribuciones de probabilidad. Las propiedades ondulatorias de la materia son
explicadas por la interferencia de las funciones de onda.
Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del
tiempo. Esta evolución es determinista si sobre el sistema no se realiza
ninguna medida aunque esta evolución es estocástica y se produce mediante
colapso de la función de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema
(Postulado IV de la MC). Por ejemplo, una partícula moviéndose sin
interferencia en el espacio vacío puede ser descrita mediante una función de
onda que es un paquete de ondas centrado alrededor de alguna posición media.
Según pasa el tiempo, el centro del paquete puede trasladarse, cambiar, de modo
que la partícula parece estar localizada más precisamente en otro lugar. La
evolución temporal determinista de las funciones de onda es descrita por la
Ecuación de Schrödinger.
Teoría de la Relatividad
La teoría de la relatividad especial, formulada por Albert
Einstein en 1905, constituye uno de los avances científicos más importantes de
la historia. Alteró nuestra manera de concebir el espacio, la energía, el
tiempo y tuvo incluso repercusiones filosóficas, eliminando la posibilidad de
un espacio/tiempo absoluto en el universo.
Se complementa con la teoría de la relatividad general,
publicada en 1915, algo más compleja y que pretende aunar la dinámica
newtoniana con parte de las consecuencias de la primera teoría especial.
Con la teoría de la relatividad especial, la humanidad
entendió que lo que hasta ahora había dado por sentado que era una constante,
el tiempo, era en realidad una variable. No sólo eso, sino que el espacio
también lo era y que ambos dependían, en una nueva conjunción espacio-tiempo,
de la velocidad.
Luis Álvarez-Gaumé, director del grupo de física teórica del
CERN, nos explica en conversación telefónica:
"Lo más importante es entender cómo el tiempo depende, en realidad, del movimiento, de la velocidad. Eso fue lo que lo cambió todo."
Einstein se basó a su vez en dos hipótesis:
- Las leyes de la física son las mismas mientras el sistema de referencia sea el mismo e inercial. Esto es, ambos se mueven a una velocidad constante. Si una ley se cumple en un sistema, también se debe cumplir en el otro.
- La velocidad de la luz es una constante universal, que se define como c. Que era constante lo habían demostrado algunos años antes otros dos grandes científicos, Michelson y Morley.Pero para llegar al famoso E = mc2 antes tenemos que entender dos conceptos muy importantes: por un lado qué es exactamente la relatividad y por otro lado entender el espacio-tiempo y cómo define lo que se conoce como líneas de universo. Por último, aunque no deduciremos los pasos matemáticos necesarios para llegar hasta la ecuación, veremos las consecuencias que tiene y cómo se relaciona dentro de la teoría de la relatividad general.
¿Qué es la relatividad?
La situación que imaginó Einstein ha sido usada y explicada
hasta la saciedad en escuelas y libros de física. Imaginemos un tren y a dos
individuos, uno de ellos está montado en el mismo y otro lo ve pasar a toda
velocidad desde el borde de la vía. El tren se mueve a 200 kilómetros por hora.
Un momento, ¿se mueve? ¿seguro? Sí y no al mismo tiempo.
Para la persona que va sentada dentro el tren no se mueve, está quieto. Sólo se
mueve para la persona que está al borde de la vía. Es algo, efectivamente,
relativo.
Einstein luego imaginó que alguien tira una pelota a 20
kilómetros por hora hacia delante dentro del tren. Para la persona que está
dentro la pelota se mueve a esa velocidad pero para la persona que está abajo
esa pelota se mueve , sin embargo, a 220 (200+20) kilómetros por hora.
Ahí es cuando toca recordar que la velocidad de la luz es
constante, y es cuando empezamos a entender que algo no encaja del todo con el
concepto de que el tiempo también lo sea. Puesto que la velocidad de la luz
siempre es la misma, al volver al ejemplo del tren y la persona que está dentro
si en lugar de lanzar una pelota enciende una linterna proyectando un haz de
luz hacia delante, la persona que está abajo no ve ese haz propagarse a la
velocidad de la luz+200 km/h, la ve propagarse a la velcoidad de la luz, sin
más, independientemente de lo rápido o lo lento que vaya el tren porque, simplemente,
es una constante.
Para entender un poco mejor el concepto veamos el siguiente
ejemplo. Muestra dos fotones de luz rebotando infinitamente entre dos espejos y
tomándose un tiempo x en ir de uno a otro.
La velocidad de la luz (y al contrario que el tiempo) sí es
constante. Esto lo habían demostrado algunos años antes que Einstein otros dos
físicos, Michelson y Morley. Teniendo en cuenta que la velocidad de la luz
siempre es la misma (casi 300.000 kilómetros por segundo), veamos ahora el
siguiente ejemplo.
Puesto que el primer carrito se mueve a una velocidad
constante, desde nuestro punto de vista el fotón tiene que recorrer una
diagonal (más distancia) entre un espejo y otro variando el tiempo efectivo que
tardar en rebotar. El tiempo, desde nuestro punto de vista estático, acaba de
variar con respecto al de alguien que estuviese mirando dentro (que siempre
verá como el fotón rebota de manera regular, se mueva el carrito o no).
