La relatividad Galileana
Galileo Galilei ayudó a inaugurar la era de la ciencia moderna con sus ideas e inventos revolucionarios. Quizá sea más conocido por sus enormes mejoras en los primeros telescopios, que permitieron estudiar los cuerpos celestes con un detalle sin precedentes.
También puso en tela de juicio los conceptos comunes sobre nuestro lugar en el cosmos. Antes de Galileo, los filósofos y teólogos creían ampliamente que la Tierra estaba en el centro del universo y pensaban que los cuerpos celestes giraban alrededor de nuestro pálido punto azul. En cambio, Galileo apoyaba la idea de que la Tierra y los planetas se movían alrededor de un sol inmóvil, una creencia promovida por el monje polaco Copérnico. Al principio, esta idea fue condenada por la Iglesia Católica, pero finalmente el heliocentrismo de Galileo se impuso.
En aquella época, muchos pensaban que una Tierra en movimiento contradecía la experiencia común y, en opinión de la Iglesia, la “Sagrada Escritura”. Para demostrar cómo una Tierra en movimiento podía ser coherente con nuestra experiencia cotidiana, Galileo introdujo un experimento mental en su libro de 1632 titulado “Diálogos sobre los dos principales sistemas mundiales”.
Este trabajo resultó eficaz en su momento, e incluso recibió la aprobación del Papa para publicar el libro. Aunque el experimento mental de la “Nave de Galileo” puede parecer obvio hoy en día, este experimento mental ayudó a abrir el camino a la alucinante Relatividad Especial de Einstein.
El experimento del barco de Galileo
Imagínese a Galileo (en forma de marioneta) sentado en el casco de un barco sin ventanas, sin poder ver el mar. Su barco acelera hasta que se mueve a una velocidad constante; en este punto, estar en el casco del barco se siente como si el barco estuviera en reposo en un puerto tranquilo.
El barco de Galileo se mueve a una velocidad constante hacia la izquierda. El pez permanece inmóvil respecto a la Tierra. Galileo deja caer una bola en el momento t1 que toca el suelo en el momento t2. La posición del pez se muestra en ambos momentos. Haga clic para ampliar la imagen. Imagen de Galileo por cortesía del Gremio de Filósofos Desempleados.
Al alcanzar una velocidad constante (hacia la izquierda en la imagen anterior), Galileo comienza a realizar experimentos mecánicos sencillos. Para nuestro ejemplo, imaginemos que simplemente deja caer una bola desde la parte superior de la cabina del barco hasta el suelo, observando dónde cae.
Si el barco estuviera parado en el muelle, la pelota caería directamente al suelo, justo debajo de donde la sostiene Galileo. Pero, ¿qué pasaría si el barco se moviera a una velocidad constante?
Galileo realizó un experimento similar y descubrió que la pelota simplemente caería directamente debajo de donde se dejara caer, igual que si el barco estuviera parado. Desde el punto de vista de Galileo en el casco de la nave, no había ninguna diferencia entre una nave con velocidad constante y una estacionaria.
Pero las diferencias surgen cuando se consideran otros marcos de referencia. En el dibujo de arriba, la parte delantera del barco pasa por un pez inmóvil (en relación con la Tierra) en un momento determinado llamado t1. Segundos después, en el tiempo t2, la pelota golpea el suelo del barco cuando el centro del barco pasa por encima del pez.
Desde la perspectiva del pez, la pelota no sólo cayó verticalmente, sino que también se desplazó horizontalmente varios metros. Del mismo modo, si Galileo tuviera un ojo de buey por el que mirar, se daría cuenta de que el pez se mueve en relación con el barco.
Esto significa que no existe una velocidad “absoluta”. Las mediciones de la velocidad difieren según el marco de referencia en el que se midan. Por ejemplo, la bola de Galileo no tenía velocidad horizontal desde su marco de referencia en el barco sin ventanas. El pez, sin embargo, vería que la pelota tiene una velocidad horizontal igual a la de todo el barco que flota sobre él.
Ninguna de las dos medidas es “correcta”. Simplemente, todo es relativo.
Para se que uso este experimento
Galileo utilizó este experimento para demostrar que la Tierra podía, de hecho, moverse sin entrar en conflicto con nuestro sentido cotidiano del mundo. Aunque la Tierra se moviera, todo en su superficie se movería a la misma velocidad. En consecuencia, hacer estos experimentos en el universo geocéntrico de la Iglesia y en el universo heliocéntrico que Galileo tenía en mente sería indistinto.
Galileo había dado con un tipo de relatividad que ahora lleva su propio nombre. Reflexionando sobre varios experimentos mecánicos sencillos, como el de la bola que cae, Galileo concluyó:
No descubriréis el menor cambio en todos los efectos nombrados, ni podréis decir de ninguno de ellos si la nave está en movimiento o parada.
En otras palabras, la realización de experimentos mecánicos en dos marcos de referencia diferentes que se mueven a velocidades constantes entre sí (como el barco de Galileo y el mar) dará los mismos resultados.
El experimento mental de Galileo fue una de las primeras exposiciones sobre los “marcos de referencia”, aunque ese término no se acuñó hasta el siglo XIX.
Einstein perfeccionó las ideas de Galileo con su teoría de la relatividad especial a principios del siglo XX, y puede obtener más información sobre el conflicto entre la relatividad de Galileo y la de Einstein en la Enciclopedia de Filosofía de Stanford.
Los sencillos experimentos mentales (y reales) de Galileo han guiado el pensamiento científico durante siglos, y tú también puedes comprobarlo por ti mismo. La próxima vez que estés en un coche, un tren o un avión viajando a velocidad constante, fíjate. Debería sentirse como si estuviera en reposo. Suponiendo que no haya baches o turbulencias que interrumpan tu viaje y cambien tu velocidad, claro.