Vivimos en un espacio geométrico en el que podemos movernos, rotar y medir longitudes y ángulos. Cada uno de nosotros tiene su propio sistema de referencia, nuestra propia percepción del universo. Este video tiene como objetivo explicar la revolución que permite unificar no solo el espacio y el tiempo, sino también los campos eléctrico y magnético, e incluso el movimiento y la energía.
La unificación del espacio y el tiempo
Imaginemos una calle donde una persona A está de pie a un lado de la calzada y otra persona B está al volante de un automóvil. Para describir el movimiento, podemos construir un diagrama de espacio-tiempo en el cual inmovilizamos cada momento y apilamos las imágenes una sobre otras.
En este diagrama, las dos personas se desplazan hacia el futuro trazando una línea del universo. La persona A traza una línea recta hacia el futuro, mientras que la persona B sigue una trayectoria inclinada. Cada franja del diagrama marca la posición de los objetos en un momento dado.

Pero, ¿cómo se vería este diagrama desde el punto de vista de la persona B? Para ello, tenemos que desplazar cada una de las láminas y situar al automóvil en el centro de la escena. El automóvil se vuelve inmóvil y parece que la persona A se mueve hacia atrás. Esto es conocido como la transformación de Galileo, que nos permite cambiar nuestro sistema de referencia.
A partir del siglo XVII, los físicos entendieron que el movimiento depende del observador. Si B decide lanzar una pelota, la velocidad de la pelota le parecerá mayor a A, ya que está siendo impulsada por el automóvil. Según Galileo, las velocidades pueden sumarse al cambiar el sistema de referencia.
La velocidad de la luz y la relatividad especial
Sin embargo, a principios del siglo XX, se descubrió que la velocidad de la luz no se suma a la velocidad del automóvil como lo haría una pelota. La velocidad de la luz permanece constante en todos los sistemas de referencia, sin importar la velocidad del observador. Esto fue un descubrimiento revolucionario.
Para comprenderlo mejor, imaginemos que tanto A como B encienden una linterna. Ambos rayos de luz tienen exactamente la misma velocidad, conocida como la velocidad de la luz. A diferencia de la pelota, la velocidad de la luz no cambia de un punto de vista a otro.
Para explicar este fenómeno, se propuso la transformación de Lorentz. Esta transformación distorsiona el diagrama de espacio-tiempo, desplazando no solo las rebanadas de espacio, sino también las de tiempo. Es la única forma de cambiar los marcos de referencia sin alterar la velocidad de la luz ni distorsionar las rectas ni los volúmenes del diagrama.
Esta nueva visión, conocida como relatividad especial, nos lleva a entender que el tiempo y el espacio se distorsionan en función del observador. Las duraciones entre acontecimientos, el orden en que se producen e incluso la longitud de los objetos se vuelven medidas relativas que cambian de un punto de vista a otro.
En lugar de una rotación clásica, el espacio-tiempo experimenta una rotación hiperbólica. Las transformaciones de Lorentz se convierten en rotaciones abstractas de nuestro mapa del universo. Estos cambios de punto de vista no afectan la verdadera geometría del espacio-tiempo.
La relatividad general y las curvaturas del espacio-tiempo
En los años siguientes, Einstein y sus contemporáneos descubrieron que el espacio-tiempo también puede deformarse y curvarse en presencia de masas grandes, explicando así el fenómeno de la gravedad. Esta teoría se conoce como relatividad general.
No obstante, la relatividad especial no se abandona. Al igual que la Tierra, que es curva pero parece plana a pequeña escala, el espacio-tiempo está curvado pero se puede describir localmente mediante la métrica de Minkowski. Esta métrica es la base de nuestra comprensión del universo en la actualidad.
En resumen, la unificación del espacio y el tiempo nos ha permitido comprender mejor la noción de aceleración, unificar los campos eléctricos y magnéticos, y ver la energía y el impulso como componentes temporales y espaciales. El espacio-tiempo no es solo un diagrama abstracto, sino que es una entidad física por sí misma con distancias y rotaciones.
Estas ideas han llevado a nuevas teorías que intentan comprender la geometría a escala de partículas y la naturaleza fundamental del universo en su conjunto.