Esta pregunta es por qué la velocidad de la luz no aumenta linealmente como otras velocidades. Esto se llama relatividad galileana y describe muy bien todo lo que observamos en nuestra vida cotidiana. Por lo tanto, no es sorprendente que muchas personas encuentren que la velocidad de la luz es constante en desacuerdo con su comprensión de cómo funcionan las cosas.
Sin embargo, el primer indicio de que la velocidad de la luz era diferente provino del estudio de las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell.
El problema surgió cuando una solución a las ecuaciones de Maxwell indicó que la velocidad de la luz era una constante fundamental. Los científicos de la época estaban atrincherados en la idea de que todas las velocidades eran relativas, según la relatividad galileana. Las ecuaciones de Maxwell indicaron que la velocidad de la luz era simplemente una constante, y no estaba sujeta al principio de relatividad.
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Se idearon teorías para tratar de explicar la aparente paradoja, en términos de un medio subyacente llamado éter luminífero. Los científicos se propusieron probar esta teoría. Los experimentos más famosos fueron los realizados por Michelson y Morley, ¡ambos no encontraron nada! La velocidad de la luz era independiente de la velocidad del observador. Siempre fue lo mismo.
Los científicos estaban perplejos e intentaron modificar sus teorías en consecuencia. De hecho, las famosas transformaciones de Lorentz se derivaron para explicar este efecto.
Fue Einstein quien dio un paso atrás y postuló que la velocidad de la luz siempre era constante para todos los observadores, independientemente de sus velocidades relativas. Su teoría especial de la relatividad es la consecuencia de esta suposición. Simplemente sucedió que también fue capaz de derivar las ecuaciones de Lorentz usando su teoría mucho más simple (más simple porque hay menos supuestos o axiomas. De hecho, solo dos, el postulado de relatividad galileana y la velocidad constante del postulado de la luz).
Cuando escuchas por primera vez acerca de la relatividad especial y la aparente restricción de viajar a menos de la velocidad de la luz, realmente parece contradictorio. Esto se debe a que nuestra intuición se basa en la experiencia en un mundo lento (en relación con la velocidad de la luz).
Sin embargo, la teoría especial de la relatividad es solo una consecuencia lógica de una serie de observaciones aparentemente mundanas. Las ecuaciones de Maxwell unificaron las teorías de los campos eléctricos y magnéticos. Estas teorías se basaron en una cuidadosa observación de la causa y el efecto con respecto a los cargos y los campos. La consecuencia final de que la luz era una onda electromagnética en propagación con una velocidad definida por las propiedades constantes del vacío está, por lo tanto, vinculada a observaciones cuidadosas de otros fenómenos. Era una predicción de la teoría, no algo añadido a priori. Esto es lo que logran algunas de las mejores teorías. Revelan cosas nuevas que de otra manera no serían aparentes.
Entonces fue que Einstein fue el primero en tomar esta predicción como una restricción fundamental sobre cómo funciona el universo. De allí surgieron todas las predicciones extrañas y maravillosas de la Relatividad Especial. Y continúa desde allí. ¡Dirac formuló una versión de la mecánica cuántica que era consistente con la relatividad especial y podía predecir la existencia de antimateria! Esto fue descubierto poco después. Desde entonces, las modernas teorías cuánticas de campo, que incorporan la Relatividad Especial, han encontrado una gran familia de partículas subatómicas, todas las cuales han sido descubiertas desde entonces (incluido el reciente descubrimiento de la partícula de Higgs).
Otras cosas están envueltas con la velocidad constante de la luz, como la constante estructura fina, que determina la estructura de los átomos. Si la luz no fuera una constante, tampoco lo sería la estructura fina constante. Eso significa que la química cambiaría dependiendo de la velocidad y el lugar en el universo. Los científicos pueden verificar esto y hasta ahora todos los rincones del cosmos parecen tener la misma estructura fina constante.
Entonces, ¿cómo puede la luz ser tanto una velocidad como una constante? En realidad significa que la luz es algo especial. Es una constante que define cómo observamos y entendemos el espacio y el tiempo. Permite a diferentes observadores aceptar el orden de causa y efecto, es decir, causalidad. Si la velocidad de la luz fuera relativa, la causa y el efecto podrían ser diferentes para diferentes observadores. La causalidad es una propiedad que la mayoría de la gente está de acuerdo en tener. Si hay un efecto, tiene que haber una causa subyacente que lo preceda.
Una perspectiva interesante sobre esta extraña propiedad vino del trabajo de Minkowski. Minkowski describió el espacio-tiempo gráficamente y pudo demostrar que para que diferentes observadores acuerden el orden relativo de los eventos (que se conoce como causalidad), debe haber una velocidad invariable de transferencia de información. La velocidad de la luz acaba de satisfacer esta propiedad perfectamente. Por lo tanto, puede racionalizarse que para que podamos acordar el orden de causa y efecto con cualquier otro observador, la velocidad de la luz tiene una constante fundamental. Esto nos permite llegar a las ecuaciones de Lorentz de Relatividad Especial desde dos rutas diferentes; el postulado de que la velocidad de la luz es constante, o que todos los observadores acuerdan causar y efectuar el ordenamiento.
Por lo tanto, vemos que hay mucho más en la velocidad de la luz que solo una velocidad. Es como un hilo que une toda nuestra comprensión de cómo funcionan las cosas. Si no fuera así, habría un efecto dominó en toda la física moderna, ya que toda teoría moderna debería descartarse. Esto no se hace simplemente porque todo parece funcionar bien como está. Es difícil de aceptar cuando te lo presentan por primera vez.
Finalmente, seamos claros que tenemos la tecnología para probar directamente la Relatividad Especial enviando cosas cercanas a la velocidad de la luz. El Gran Acelerador de Hadrones en el CERN pone tanta energía en su haz de protones que viajarían a muchas veces la velocidad de la luz, si la Relatividad Especial no se mantuviera. Sin embargo, cuando medimos la velocidad de las partículas, ¡ siempre son menores que la velocidad de la luz! Especial Relativamente explica correctamente sus propiedades medidas bastante bien.
