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.

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Las andanzas de Albert Einstein por una Buenos Aires que aún no tenía Obelisco.

El autor de la Teoría de la Relatividad pasó dos meses en la Argentina en 1925, cuatro años después de haber ganado el Premio Nobel de Física.

En el templado otoño de 1925, el físico más popular de todos los tiempos, Albert Einstein, sintió durante una prolongada visita a la Argentina el verdadero peso de la fama, que le pareció excesivo, pero se fue de aquí con la certeza de que había colaborado, y no se equivocaba, con el futuro de la investigación científica argentina.

   En los dos meses que duró aquella estadía con base en la Capital Federal, el responsable de la Teoría de la Relatividad brindó doce conferencias en instituciones educativas públicas, a las que terminó agradeciéndoles por haberle permitido el encuentro con un público en general profano, pero lleno de ganas de comprender ideas científicas complejas.

   Aquella ciudad de Buenos Aires que se auto percibía como el ombligo del granero del mundo aún no había construido el Obelisco su señal de identificación en el cruce de “la avenida más ancha del mundo” con “la calle que nunca duerme”, pero estaba orgullosa de haber inaugurado en 1913 el primer subterráneo de Latinoamérica, la actual Línea A.

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Albert Einstein en Buenos Aires – Por la ciudad

El físico arribó a la Argentina cuatro años después de haber obtenido el Premio Nobel, pero como consecuencia de una relación de amistad forjada en 1922 en el Instituto Politécnico de Zürich con el francés Jorge Duclot, que lo invitó a conocer el Sur de América cuando ya ejercía como profesor en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires.

Para la historia de la ciencia en la Argentina aquella visita resultó fundamental, porque inspiró a muchos futuros colegas, entre ellos a Bernardo A. Houssay, que años más tarde sería Premio Nobel de Medicina, e instaló a las universidades públicas del país en el centro de la difusión en Latinoamérica de una teoría que aun suscitaba controversias en el mundo.

   Los cinco argentinos que ganaron el Nobel fueron estudiantes de la UBA y entre ellos hay tres vinculados a la investigación científica, aquello en que Einstein fue el gran ejemplo: Houssay fue galardonado con el de Medicina en 1947, siendo el primer latinoamericano laureado en Ciencias, Luis Federico Leloir obtuvo en 1970 el de Química y César Milstein cosechó el suyo en Medicina en 1984.

La Teoría de la Relatividad, que discutía con la famosa pero añeja Teoría de la Gravedad, postulada dos siglos antes por Isaac Newton, sostenía desde 1905, entre otras cosas, que el movimiento es relativo al observador, mientras la velocidad de la luz siempre es constante.

El segundo de sus grandes aportes, la Teoría de la Relatividad General, publicada en 1915, afirmaba que el espacio se curvaba por la fuerza gravitatoria de la Tierra, pero que por el brillo solar eso resultaba invisible a los ojos humanos, salvo en ocasiones especialisimas.

Cuatro años más tarde esa ocasión llegó: durante un eclipse, el astrofísico inglés Arthur Stanley Eddington pudo fotografiar la luz de las estrellas en torno al sol, comprobando la curvatura de la luz, desde un laboratorio montado en la Isla Príncipe, frente a Guinea Ecuatorial, en África, en la prueba empírica de que Einstein tenía razón.

 A partir de 1919, entonces aquel hombre de mirada pícara e inteligencia suprema, nacido en Alemania en el seno de una familia judía, pero luego nacionalizado suizo, austríaco y estadounidense, se convirtió en una estrella de rock, antes de que el rock existiera, y tuvo que acostumbrarse a convivir con el interés periodístico por su día a día.

   Eso aumentó cuando en 1921 le concedieron el Premio Nobel de Física, aunque no por su Teoría de la Relatividad, que todavía era discutida en los círculos académicos pero le había dado una insólita popularidad en un mundo mucho menos conectado que el actual, que él mismo abonaba con su estilo desacartonado –su foto más famosa lo muestra sacándole la lengua a la cámara- y hasta la desprolijidad de su cabellera.

   Su triunfo como científico era también una victoria política frente a los influyentes sectores conservadores de las sociedades europeas, que habían tildado su teoría de poco seria, en rigor porque estaban molestos con las ideas socialistas a la que Einstein adhería después de haber estudiado muchos años los textos de Baruch Spinoza, David Hume, Immanuel Kant y Karl Marx, entre otros.

   El choque entre las ideas científicas y sus detractores, que tenía una larga historia a partir del modo en que la Iglesia Católica se comportó siglos antes con Galileo Galilei por haber demostrado que la Tierra giraba en derredor del Sol, no era menor en aquel momento europeo, ya que iba construyéndose un panorama general que redundaría en el acceso posterior al poder de líderes de ultra derecha, como Hitler, Mussolini y Franco, entre otros.

   El supuesto básico de la teoría de la relatividad, que siempre molestó a los fundamentalistas y a los dogmas religiosos, es que la localización de los sucesos físicos, tanto en el tiempo como en el espacio, es relativa al estado de movimiento del observador, lo que cambiaba muchos dogmas e incluso aportaba un punto de discusión interesante para la filosofía.

   La visita a la Argentina, a la que llegó en el barco Cap Polonio, se dio en el marco de una de sus extenuantes pero habituales giras previas a la Segunda Guerra Mundial, que en este caso incluía también muchas semanas en Uruguay y Brasil, cuyos detalles fue reportando al estilo de la época en cartas a su familia, además de las anotaciones que hacía en su diario personal.

   “En el momento en que les llegue esta pequeña nota, yo ya estaré en Montevideo o en Rio, desde donde saldré, el 12 de mayo, de regreso hacia Hamburgo», escribió por ejemplo a su esposa Elsa y a su hijastra Margot desde Buenos Aires, en una misiva fechada el 25 de marzo de 1925.

   Einstein, que era afable en público y llegó a plegarse a una fiesta de estudiantes para tocar el violín, instrumento cuya técnica dominaba como un profesional, reportaba en esas cartas que tenía la agenda demasiado llena de compromisos, por lo que se sentía un comediante obligado a representar un papel acorde con las expectativas que su genialidad despertaba,

   En los dos meses argentinos, tuvo actividades en Córdoba, Rosario y La Plata, pasó unos días de descanso en Llavallol, se reunió con el presidente Marcelo T. de Alvear y con el famoso escritor Leopoldo Lugones, con el que además cenó, tuvo encuentro con organizaciones judías e incluso sobrevoló Buenos Aires a bordo de un hidroavión Junker de una empresa alemana, cuando la aviación estaba en sus albores.

   Además de sus conferencias en el Colegio Nacional de Buenos Aires, en la Facultad de Filosofía y Letras y en el Hotel Savoy, recorrió escuelas públicas, visitó, hospitales y orfanatos, paseó por los Bosques de Palermo y el Mercado del Abasto, visitó Tigre, caminó por la peatonal Florida, publicó artículos en el diario La Prensa y se encantó con el ambiente del café Tortoni, el más antiguo de la ciudad.

   En aquellos días agotadores, las anotaciones en su diario personal, la mayoría de ellas con ideas que no prosperaron, incluyeron una “aproximación a una teoría sobre la relación entra la gravitación y la electricidad”, mientras en su país natal estaba instalándose el escenario persecutorio de las ideas que el cineasta Ingmar Bergman describió en la película El huevo de la serpiente.

   Unos años después de su visita a la Argentina, Einstein se iría de Alemania mientras el nazismo iba construyendo su llegada al poder, para dedicarse a la docencia en Princeton, Nueva Jersey, y avanzar en el intento de integrar en una misma teoría la fuerza gravitatoria y la electromagnética, antes de nacionalizarse como estadounidense en 1940.

   El científico vanguardista que ayudó a difundir la idea de que todo en el universo, y en la vida, es relativo, murió en Princeton a los 76 años, en 1955, de una hemorragia interna causada por la ruptura de un aneurisma en la aorta abdominal, luego de rechazar una cirugía de urgencia que le propuso el médico Rudolph Nissen, que ya lo había operado en 1948.

 “Quiero irme cuando quiero”, precisó aquel hombre que pidió que su cuerpo fuera incinerado sin velatorio, ante apenas 12 personas, y que sus cenizas fueran arrojadas al cercano río Delaware, intentando evitar las pompas del funeral de un famoso. “Considero de mal gusto prolongar artificialmente la vida”, había explicado antes. “He hecho mi trabajo, es hora de irme. Lo haré con elegancia”. (NA)

Imagen de portada: Gentileza de La Nueva. Bahía Blanca. Argentina

FUENTE RESPONSABLE: La Nueva. Bahía Blanca. Argentina. Abril 2022

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