La simultaneidad deja de ser absoluta

Con las Leyes mecánicas de Newton y el principio de relatividad de Galileo, el programa de desarrollo de la Física se encamino a la descripción de la naturaleza mediante Leyes de Fuerza que explicaran las interacciones entre la materia. Sin embargo este programa contaba con dos elementos que sería derribados a finales del siglo XIX e inicios del XX. La idea de Fuerza conlleva la idea de acción a distancia, esto es, la posibilidad de interacción instantánea entre dos elementos de materia independientemente de la separación espacial que haya entre ellos. La otra idea es el determinismo, el cual se deriva de las mismas características de las ecuaciones de movimiento; la idea es que si conocemos la distribución de materia del universo en un instante determinado y las fuerzas bajo las cuales interacciona la materia, entonces podemos conocer el futuro del Universo así como su pasado.

Faraday, introduce la idea de campo en sus teorías que describen las interacciones eléctricas y magnéticas, sin embargo su modelado matemático fue tomado en un principio como un artilugio matemático y no se consideraban como reales los campos. El desarrollo del electromagnetismo culminó a fines del siglo XIX con los trabajos de Maxwell que se sintetizan en las cuatro ecuaciones que describen los campo eléctricos y magnéticos.
Y aunque los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban ligados a la materia, las ecuaciones de Maxwell predecían unas ondas electromagnéticas que podían sostenerse así mismas y que viajaban a la velocidad de la luz. Esto le daba en cierto modo un carácter de realidad a los campos. Pronto se confirmo la validez de las ecuaciones de Maxwell con los experimentos de Hertz.

Sin embargo había más en esas ecuaciones, pues la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas era independiente del estado de movimiento del observador o de la fuente de ondas. Esto implicaba, en términos de nuestros modelos que la velocidad de la luz era una constante universal.

Este resultado derivado de la teoría y experimentalmente corroborado con los experimentos de Michelson-Morley es contradictorio con los resultados predichos por la teoría.

EL TREN DE EINSTEIN

Supongamos el siguiente experimento. Un Enrique(E) , un observador, se mueve sobre el vagón de un tren que viaja en linea recta manteniendo una velocidad constante Vo. E hace un experimento para medir la velocidad de la luz, por lo que coloca en cada uno de los extremos del vagón dos fuentes de ondas (focos) que encienden mediante dos relojes, los cuales se sincronizan para encenderse justo a las 12 am. E coloca un detector de luz justo a la mitad del vagón para determinar cual onda de luz llega primero al centro del vagón. Por otro lado, Alberto (A) es un obsevador que esta de pie sobre el piso a un lado de la vía viendo todas las maniobras de E y al pendiente de los resultados del experimento, por lo que también coloca un detector para saber en qué momento llega la luz, y se coloca de tal modo de que a las 12am pasa E justo frente a él.

Representación del resultado del experimento según E

Como podemos ver en el diagrama la línea de universo de E es una linea vertical, pues considera estar en reposo.

 Así, los extremos del vagón son también líneas verticales, F y B pues están en reposo relativo a E.

La línea de Universo de E esta representada por la línea E ( en azul). 

A las 12:am E y A están frente a frente en el evento E1. Y en ese momento se encienden las fuentes de onda luminosa emitiendo los frente de onda representados por las líneas amarillas. Como se observa los rayos de luz llegan a la línea de E en el evento E2 simultáneamente, mientras que a la línea de Universo de A llega primero el rayo que proviene del evento B1 y tiempo después del evento F1.

Así pues, suponiendo que ambos observadores confían en la validez de las ecuaciones de Maxwell respecto a la constancia de la velocidad de la luz es como llegan a las conclusiones

E: Como la velocidad de la luz es la misma tanto si viene desde el frente como si viene desde atrás, y puesto que ambos rayos llegaron al mismo tiempo, entonces los relojes encendieron simultáneamente, es decir los  eventos B1 y F1 son simultáneos 

A: Como la velocidad de la luz es la misma tanto si viene desde el frente como si viene desde atrás, y puesto que ambos rayos no llegaron al mismo tiempo, entonces los relojes no encendieron simultáneamente, es decir los  eventos B1 y F1 no son simultáneos 

Representación del resultado del experimento según A

Si en lugar de ver el gráfico como lo elabora E, lo vemos como lo elabora A tendremos el gráfico de espacio tiempo que se muestra, con la línea de universo de A vertical y la linea de universo de B inclinada (en negro). Los rayos de luz saldrían a la misma velocidad y en direcciones opuestas (líneas amarillas) de tal modo que llegarían a la línea de A en el evento A1. Sin embargo llegarían primero el rayo proveniente de F1 a E y después llegaría el rayo proveniente de B1. Las conclusiones del experimento serían :

E: Los eventos B1 y F1 no son simultáneos

A: Los eventos   B1 y F2 son simultáneos

La simultaneidad deja de ser absoluta

Como se puede ver, el aceptar la constancia de la velocidad de la luz conduce a que el concepto de simultaneidad entre dos eventos sea relativo. En este punto, se podría haber optado por negar que la velocidad de la luz fuese una constante para todos los observadores inerciales, sin embargo los experimentos mostraban que esto no era así, siempre que se deseaba medir la velocidad de la luz bajo diferentes condiciones de movimiento, la velocidad era la misma.

Así pues es que Albert Einstein propone cambiar nuestros supuestos básicos del espacio tiempo, e incluye en ellos la constancia de la velocidad de la luz. Aceptar su validez implica entre otras cosas el aceptar que la simultaneidad es relativa