Se dice que la epifanía le llegó a Albert Einstein en un instante. El científico supuestamente estaba viajando en un tranvía en Berna (Suiza), miró el reloj de la calle y de repente se dio cuenta de que si el tranvía ahora aceleraba a la velocidad de la luz, entonces, en su percepción, este reloj se detendría y no habría tiempo. Esto lo llevó a formular uno de los postulados centrales de la relatividad: que diferentes observadores perciben la realidad de manera diferente, incluidas cantidades fundamentales como la distancia y el tiempo.
Científicamente hablando, ese día, Einstein se dio cuenta de que la descripción de cualquier evento o fenómeno físico depende del marco de referencia en el que se encuentre el observador (ver efecto Coriolis). Si un pasajero en un tranvía, por ejemplo, deja caer vasos, entonces para ella caerán verticalmente hacia abajo, y para un peatón parado en la calle, los vasos caerán en una parábola, mientras el tranvía se mueve mientras caen los vidrios. Cada uno tiene su propio marco de referencia.
Pero aunque las descripciones de los eventos cambian durante la transición de un marco de referencia a otro, también hay cosas universales que permanecen sin cambios. Si, en lugar de describir la caída de los vidrios, hacemos una pregunta sobre la ley de la naturaleza que hace que caigan, entonces la respuesta será la misma para un observador en un sistema de coordenadas fijo y para un observador en un sistema de coordenadas en movimiento. La ley del tráfico distribuido es igualmente válida en la calle y en el tranvía. En otras palabras, si bien la descripción de los hechos depende del observador, las leyes de la naturaleza no dependen de él, es decir, como dicen en el lenguaje científico, son invariantes. Este es el principio de relatividad.
Como cualquier hipótesis, el principio de relatividad tuvo que ser probado correlacionándolo con fenómenos naturales reales. A partir del principio de relatividad, Einstein derivó dos teorías separadas (aunque relacionadas). La teoría de la relatividad especial, o particular, parte del supuesto de que las leyes de la naturaleza son las mismas para todos los marcos de referencia que se mueven a una velocidad constante. La relatividad general extiende este principio a cualquier marco de referencia, incluidos aquellos que se mueven con aceleración. La teoría especial de la relatividad se publicó en 1905, y la más compleja desde el punto de vista del aparato matemático, la teoría general de la relatividad fue completada por Einstein en 1916.
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Teoría especial de la relatividad
La mayoría de las ideas intuitivas paradójicas y contradictorias sobre el mundo de los efectos que surgen cuando se mueve con una velocidad cercana a la velocidad de la luz son predichas por la teoría especial de la relatividad. El más famoso de ellos es el efecto de ralentizar el reloj o el efecto de ralentizar el tiempo. Un reloj que se mueve en relación con el observador corre más lento para él que exactamente el mismo reloj en sus manos.
El tiempo en un sistema de coordenadas que se mueve con velocidades cercanas a la velocidad de la luz se alarga en relación con el observador, mientras que la extensión espacial (longitud) de los objetos a lo largo del eje de la dirección del movimiento, por el contrario, se comprime. Este efecto, conocido como la contracción de Lorentz-Fitzgerald, fue descrito en 1889 por el físico irlandés George Fitzgerald (1851-1901) y completado en 1892 por el holandés Hendrick Lorentz (1853-1928). La abreviatura de Lorentz-Fitzgerald explica por qué el experimento de Michelson-Morley para determinar la velocidad del movimiento de la Tierra en el espacio exterior midiendo el "viento de éter" dio un resultado negativo. Más tarde, Einstein incluyó estas ecuaciones en la relatividad especial y las complementó con una fórmula de transformación similar para la masa,según el cual la masa del cuerpo también aumenta a medida que la velocidad del cuerpo se acerca a la velocidad de la luz. Entonces, a una velocidad de 260,000 km / s (87% de la velocidad de la luz), la masa de un objeto desde el punto de vista de un observador en el marco de referencia en reposo se duplicará.
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Desde la época de Einstein, todas estas predicciones, por muy contrarias que puedan parecer al sentido común, encuentran una confirmación experimental completa y directa. En uno de los experimentos más reveladores, los científicos de la Universidad de Michigan colocaron un reloj atómico ultrapreciso a bordo de un avión que realizaba vuelos transatlánticos regulares y, después de cada vuelo de regreso al aeropuerto de origen, verificaron sus lecturas con el reloj de control. Resultó que el reloj en el avión se retrasó gradualmente con respecto a los de control cada vez más (por así decirlo, cuando se trata de fracciones de segundo). Durante el último medio siglo, los científicos han estado investigando partículas elementales en enormes complejos de hardware llamados aceleradores. En ellos, los haces de partículas subatómicas cargadas (como protones y electrones) se aceleran a velocidades cercanas a la velocidad de la luz,luego se disparan contra varios objetivos nucleares. En tales experimentos con aceleradores, es necesario tener en cuenta el aumento de la masa de las partículas aceleradas; de lo contrario, los resultados del experimento simplemente no se prestarán a una interpretación razonable. Y en este sentido, la teoría especial de la relatividad ha pasado hace mucho tiempo de la categoría de teorías hipotéticas al campo de las herramientas de la ingeniería aplicada, donde se usa a la par con las leyes de la mecánica de Newton.
Volviendo a las leyes de Newton, me gustaría enfatizar que la teoría especial de la relatividad, aunque exteriormente contradice las leyes de la mecánica clásica newtoniana, de hecho, reproduce prácticamente exactamente todas las ecuaciones usuales de las leyes de Newton, si se aplica para describir cuerpos que se mueven con una velocidad significativamente menos que la velocidad de la luz. Es decir, la teoría especial de la relatividad no anula la física newtoniana, sino que la expande y complementa (esta idea se analiza con más detalle en la Introducción).
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El principio de relatividad también ayuda a comprender por qué la velocidad de la luz, y no cualquier otra, juega un papel tan importante en este modelo de la estructura del mundo; esta pregunta la hacen muchos de los que conocieron por primera vez la teoría de la relatividad. La velocidad de la luz se destaca y juega un papel especial como constante universal, porque está determinada por una ley de las ciencias naturales (ver las ecuaciones de Maxwell). En virtud del principio de relatividad, la velocidad de la luz en el vacío c es la misma en cualquier marco de referencia. Esto aparentemente contradice el sentido común, ya que resulta que la luz de una fuente en movimiento (sin importar qué tan rápido se mueva) y de una fuente estacionaria llega al observador simultáneamente. Sin embargo, esto es así.
Debido a su papel especial en las leyes de la naturaleza, la velocidad de la luz es fundamental para la relatividad general.
Teoría general de la relatividad
La teoría general de la relatividad ya se aplica a todos los marcos de referencia (y no solo a los que se mueven a una velocidad constante entre sí) y parece matemáticamente mucho más complicada que la especial (lo que explica la brecha de once años entre su publicación). Incluye, como caso especial, la teoría especial de la relatividad (y, por tanto, las leyes de Newton). Además, la teoría general de la relatividad va mucho más allá que todas sus predecesoras. En particular, proporciona una nueva interpretación de la gravedad.
La relatividad general hace que el mundo sea cuatridimensional: el tiempo se suma a las tres dimensiones espaciales. Las cuatro dimensiones son inseparables, por lo que ya no estamos hablando de la distancia espacial entre dos objetos, como es el caso del mundo tridimensional, sino de los intervalos espacio-temporales entre eventos que unen su distancia entre sí, tanto en el tiempo como en el espacio. … Es decir, el espacio y el tiempo se consideran un continuo espacio-tiempo tetradimensional o, simplemente, espacio-tiempo. En este continuo, los observadores que se mueven entre sí pueden incluso estar en desacuerdo sobre si dos eventos ocurrieron simultáneamente o si uno precedió al otro. Afortunadamente para nuestras pobres mentes, el asunto no llega a una violación de las relaciones de causa y efecto, es decir, la existencia de sistemas de coordenadas,en el que dos eventos no ocurren simultáneamente y en una secuencia diferente, ni siquiera la teoría general de la relatividad lo permite.
La ley de la gravedad de Newton nos dice que existe una fuerza de atracción mutua entre dos cuerpos cualesquiera del universo. Desde este punto de vista, la Tierra gira alrededor del Sol, ya que las fuerzas de atracción mutua actúan entre ellos. La relatividad general, sin embargo, nos obliga a mirar este fenómeno de manera diferente. Según esta teoría, la gravedad es una consecuencia de la deformación ("curvatura") del tejido elástico del espacio-tiempo bajo la influencia de la masa (en este caso, cuanto más pesado es un cuerpo, por ejemplo, el Sol, más se "dobla" el espacio-tiempo bajo él y, en consecuencia, más fuerte es su gravedad campo). Imagínese un lienzo tenso (una especie de trampolín) con una bola enorme sobre él. La red se deforma bajo el peso de la pelota y se forma una depresión en forma de embudo a su alrededor. Según la relatividad general,La Tierra gira alrededor del Sol como una pequeña bola dispuesta a rodar alrededor del cono de un embudo formado como resultado de "forzar" el espacio-tiempo por una bola pesada: el Sol. Y lo que nos parece ser la fuerza de la gravedad, de hecho, es, de hecho, una manifestación puramente externa de la curvatura del espacio-tiempo, y en absoluto una fuerza en la comprensión newtoniana. Hasta la fecha, no se ha encontrado una mejor explicación de la naturaleza de la gravedad que la que nos da la teoría general de la relatividad. Hasta la fecha, no se ha encontrado una mejor explicación de la naturaleza de la gravedad que la que nos da la teoría general de la relatividad. Hasta la fecha, no se ha encontrado una mejor explicación de la naturaleza de la gravedad que la que nos da la teoría general de la relatividad.
Es difícil probar la teoría general de la relatividad, ya que en condiciones de laboratorio ordinarias sus resultados coinciden casi completamente con lo que predice la ley de Newton de la gravitación universal. Sin embargo, se han realizado varios experimentos importantes, y sus resultados permiten considerar confirmada la teoría. Además, la relatividad general ayuda a explicar los fenómenos que observamos en el espacio, por ejemplo, desviaciones menores de Mercurio de una órbita estacionaria, que son inexplicables desde el punto de vista de la mecánica newtoniana clásica, o la curvatura de la radiación electromagnética de estrellas distantes cuando pasa muy cerca del Sol.
De hecho, los resultados predichos por la relatividad general difieren notablemente de los resultados predichos por las leyes de Newton solo en presencia de campos gravitacionales superfuertes. Esto significa que para una prueba completa de la teoría general de la relatividad, se necesitan mediciones ultraprecisas de objetos muy masivos o agujeros negros, a los que no se puede aplicar ninguna de nuestras ideas intuitivas habituales. Por tanto, el desarrollo de nuevos métodos experimentales para probar la teoría de la relatividad sigue siendo una de las tareas más importantes de la física experimental.
