La teoría de la relatividad: explicación fácil y ejemplos.

La teoría de la relatividad supuso un antes y un después para la Ciencia moderna. Descubre en este artículo todo sobre esta teoría revolucionaria.

Desde Galileo, hasta Einstein, este artículo te ofrece una breve introducción histórica a la invención y desarrollo del principio de la relatividad, así como las principales aplicaciones que se derivan de él.

Principio de relatividad de Galileo

En el siglo XVII, el astrónomo, matemático y físico Galileo Galilei observó que era imposible que un viajero que estuviese encerrado en la bodega de un barco supiera si estaba parado o si, por el contrario, se movía en un mar en calma. 

Según Galileo, ya sea que el barco estuviese atracado o se moviese en línea recta a una velocidad constante, una manzana que cualquier marinero dejase caer desde lo alto del mástil, volvería a caer exactamente a su pie. Así fue como el físico italiano, Galileo, estableció su principio de relatividad que establece la siguiente premisa: «el movimiento en sí es como nada».

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Esto se traduce en la imposibilidad de que el movimiento de traslación rectilíneo y uniforme de un cuerpo móvil por una experiencia que se realiza sólo en su interior, sin referencia al mundo exterior. Las teorías de Galileo pasarían a formar parte de las predicciones más brillantes en el mundo de la física.

Galileo Galilei

Retrato del físico Galileo Galilei

Principio de relatividad de Einstein

El principio de relatividad de Galileo, aplicado como norma a la mecánica, fue prácticamente abandonado a finales del siglo XIX, cuando los físicos pensaron en remarcar el movimiento de la Tierra alrededor del Sol a través de un experimento óptico. Observaron que la luz no podía propagarse en el vacío y por ello idearon un medio particular que permitía esta propagación. 

A este medio lo llamaron «Éter» (que no debe ser confundido con el éter de la Química). Esperaban así que, del mismo modo que la velocidad del sonido se mueve a través del aire, la velocidad de la luz dependiera de la velocidad de la fuente en relación con el éter. Esto permitiría, por ejemplo, resaltar el movimiento de la Tierra en relación con el Éter y, de este modo, invalidar la relatividad galileana.

En el año 1887, Albert Michelson y Edward Morley consiguieron demostrar, gracias a un experimento que se ha hecho famoso a posteriori, que la velocidad de la luz en el vacío, que es aproximadamente de 300.000 kilómetros por segundo, toma el mismo valor que la velocidad de la Tierra alrededor del Sol. Por lo tanto, no logran resaltar el movimiento de la Tierra.

Así fue como este resultado invalidó la teoría del Éter e impuso la idea de que la luz se propagaba sin un soporte material. La velocidad de la luz en el vacío se convirtió entonces en un invariante, es decir, en independiente del estado de movimiento del observador. 

Posteriormente, en un artículo publicado en el año 1905, Albert Einstein extendió el principio de Galileo a todas las leyes de la física entonces conocidas. Entre todas ellas, a la mecánica y el electromagnetismo, lo que implica que la velocidad de la luz es idéntica en todos los marcos de referencia inerciales.

Albert-Einstein

Foto de archivo de Albert Einstein

De la Relatividad Especial (1905) a la Relatividad General (1915)

En 1905, Albert Einstein consiguió establecer que la teoría de la relatividad especial, fundando así la noción de espacio-tiempo y estableciendo un vínculo entre energía y masa. 

La relatividad especial también hace que la velocidad de la luz (en el vacío) sea una cantidad invariable, que permanece invariable sea cual sea la posición del observador. 

A partir de 1907, intentó describir la gravitación basándose para ello en la simple idea de que una persona en caída libre ya no siente su peso. En el año 1912 amplió esta idea al explicar que la luz debe tener una trayectoria curvada por la gravedad, lo que se verificaría durante el eclipse de sol de 1919.

Einstein pasaría los años siguientes desarrollando el formalismo matemático que refleja estas concepciones. 

El 25 de noviembre de 1915 fue capaz de presentar a la Real Academia de Prusia las ecuaciones definitivas de la teoría de la relatividad general. Esto se basa en el principio de equivalencia entre la gravedad y la aceleración, y quedaría remarcado en un artículo que se publicaría el 2 de diciembre de ese mismo año. Estos avances serían cruciales para las posteriores teorías de cuerdas.

La relatividad del tiempo

Para entender las consecuencias de las teorías y postulados de Albert Einstein, debemos pensar en un tren imaginario que viaja a una velocidad cercana a la de la luz en un movimiento rectilíneo y uniforme. 

Uno de los pasajeros del tren nota que dos haces de luz, emitidos simultáneamente en el centro del vagón, alcanzan las paredes opuestas simultáneamente. Por otro lado, esto no es lo que el jefe de estación observa desde el andén. Como la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, los haces de luz alcanzan las paredes opuestas del vagón en momentos diferentes porque uno de los haces debe alcanzar al tren. Así, la primera consecuencia de la relatividad de Einstein es que la simultaneidad de dos eventos es totalmente relativa al observador.

trayectoria luz

La trayectoria de la luz depende de la relatividad del observador

Estas consecuencias se derivan de una importante inversión conceptual. 

Hasta entonces, el tiempo y el espacio formaron el escenario en el que se desarrollaron los acontecimientos. Se consideraban nociones fundamentales y la velocidad era una noción que derivaba de ellas. 

Si el tiempo y el espacio deben adaptarse a una velocidad invariable, entonces se vuelven relativos al marco de referencia del observador y, por lo tanto, ya no son independientes, sino que forman una nueva entidad unificada, el espacio-tiempo. Esto influiría mucho en las teorías posteriores sobre agujeros negros

¿Qué aplicaciones tiene la teoría de la relatividad?

La variación de duraciones con el movimiento del observador ha sido comprobada experimentalmente con gran precisión, gracias a la desintegración de muones atmosféricos o aceleradores de partículas. Hoy en día, el principio de la relatividad del tiempo se usa comúnmente en la física fundamental, pero también es fundamental tener la teoría de la relatividad presente a la hora de sincronizar los relojes de los sistemas de geolocalización por satélite.

Imagen de portada: Gentileza de urban techno.

FUENTE RESPONSABLE: Urban Techno. Por Juan Pablo Longobardo. 24 de enero 2023.

Sociedad/Ciencia/Física/Teoría de la Relatividad/Tiempo.

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