Teoría de la relatividad

La teoría de la relatividad comprende dos teorías físicas de Albert Einstein : la relatividad especial y la relatividad general , propuestas y publicadas en 1905 y 1915, respectivamente. ^{[ 1 ]} La relatividad especial se aplica a todos los fenómenos físicos en ausencia de gravedad . La relatividad general explica la ley de la gravitación y su relación con las fuerzas de la naturaleza. ^{[ 2 ]} Se aplica al ámbito cosmológico y astrofísico, incluyendo la astronomía. ^{[ 3 ]}

La teoría transformó la física teórica y la astronomía durante el siglo XX, reemplazando una teoría de la mecánica de 200 años de antigüedad creada principalmente por Isaac Newton . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Introdujo conceptos como el espacio-tiempo de cuatro dimensiones como una entidad unificada de espacio y tiempo , la relatividad de la simultaneidad , la dilatación del tiempo cinemática y gravitacional , y la contracción de la longitud . En el campo de la física, la relatividad mejoró la ciencia de las partículas elementales y sus interacciones fundamentales, además de dar paso a la era nuclear . Con la relatividad, la cosmología y la astrofísica predijeron fenómenos astronómicos extraordinarios como las estrellas de neutrones , los agujeros negros y las ondas gravitacionales . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad especial en 1905, basándose en numerosos resultados teóricos y hallazgos empíricos obtenidos por Albert A. Michelson , Hendrik Lorentz , Henri Poincaré y otros. Max Planck , Hermann Minkowski y otros realizaron trabajos posteriores.

Einstein desarrolló la relatividad general entre 1907 y 1915, con contribuciones de muchos otros después de 1915. La forma final de la relatividad general se publicó en 1916. ^{[ 3 ]}

El término «teoría de la relatividad» se basó en la expresión «teoría relativa» ( en alemán : Relativtheorie ) utilizada en 1906 por Planck, quien enfatizó cómo la teoría utiliza el principio de relatividad . En la sección de discusión del mismo artículo, Alfred Bucherer utilizó por primera vez la expresión «teoría de la relatividad» ( en alemán : Relativitätstheorie ). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Para la década de 1920, la comunidad de físicos comprendía y aceptaba la relatividad especial. ^{[ 8 ]} Rápidamente se convirtió en una herramienta significativa y necesaria para teóricos y experimentalistas en los nuevos campos de la física atómica , la física nuclear y la mecánica cuántica .

En comparación, la relatividad general no parecía ser tan útil, más allá de hacer correcciones menores a las predicciones de la teoría de la gravitación newtoniana. ^{[ 3 ]} Parecía ofrecer poco potencial para la verificación experimental, ya que la mayoría de sus afirmaciones se basaban en una escala astronómica. Sus matemáticas parecían difíciles y completamente comprensibles solo para un pequeño número de personas. Alrededor de 1960, la relatividad general se convirtió en un elemento central de la física y la astronomía. Las nuevas técnicas matemáticas aplicadas a la relatividad general simplificaron los cálculos y facilitaron la visualización de sus conceptos. A medida que se descubrieron fenómenos astronómicos , como los cuásares (1963), la radiación de fondo de microondas de 3 kelvin (1965), los púlsares (1967) y los primeros candidatos a agujeros negros (1981), ^{[ 3 ]} la teoría explicó sus atributos, y su medición confirmó aún más la teoría.

La relatividad especial es una teoría sobre la estructura del espacio-tiempo . Fue introducida en el artículo de Einstein de 1905, " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento " (para las contribuciones de muchos otros físicos y matemáticos, véase Historia de la relatividad especial ). La relatividad especial se basa en dos postulados que son contradictorios en la mecánica clásica :

1. Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores en cualquier sistema de referencia inercial relativo entre sí ( principio de relatividad ).
2. La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores, independientemente de su movimiento relativo o del movimiento de la fuente de luz .

La teoría resultante se ajusta mejor a los experimentos que la mecánica clásica. Por ejemplo, el postulado 2 explica los resultados del experimento de Michelson-Morley . Además, la teoría tiene muchas consecuencias sorprendentes y contraintuitivas. Algunas de ellas son:

• Relatividad de la simultaneidad : Dos eventos, simultáneos para un observador, pueden no ser simultáneos para otro observador si los observadores están en movimiento relativo.
• Dilatación del tiempo : Se observa que los relojes en movimiento avanzan más lentamente que el reloj "estacionario" de un observador.
• Contracción de la longitud : Se mide que los objetos se acortan en la dirección en la que se mueven con respecto al observador.
• La velocidad máxima es finita : ningún objeto físico, mensaje o línea de campo puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío.
  • El efecto de la gravedad solo puede viajar por el espacio a la velocidad de la luz, no más rápido ni instantáneamente.
• Equivalencia masa-energía : E = mc² , ^la energía y la masa son equivalentes y transmutables.
• Masa relativista , idea utilizada por algunos investigadores. ^{[ 9 ]}

La característica definitoria de la relatividad especial es la sustitución de las transformaciones galileanas de la mecánica clásica por las transformaciones de Lorentz . (Véanse las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo ).

La relatividad general es una teoría de la gravitación desarrollada por Einstein entre 1907 y 1915. Su desarrollo comenzó con el principio de equivalencia , según el cual los estados de movimiento acelerado y reposo en un campo gravitatorio (por ejemplo, al estar de pie sobre la superficie de la Tierra) son físicamente idénticos. Esto implica que la caída libre es un movimiento inercial : un objeto en caída libre cae porque así es como se mueven los objetos cuando no se ejerce ninguna fuerza sobre ellos, en lugar de que esto se deba a la fuerza de la gravedad, como ocurre en la mecánica clásica . Esto resulta incompatible con la mecánica clásica y la relatividad especial, ya que en estas teorías los objetos con movimiento inercial no pueden acelerar entre sí, mientras que los objetos en caída libre sí lo hacen. Para resolver esta dificultad, Einstein propuso inicialmente que el espacio-tiempo es curvo . Einstein discutió su idea con el matemático Marcel Grossmann y concluyeron que la relatividad general podía formularse en el contexto de la geometría riemanniana, desarrollada en el siglo XIX. ^{[ 10 ]} En 1915, ideó las ecuaciones de campo de Einstein que relacionan la curvatura del espacio-tiempo con la masa, la energía y cualquier momento dentro de él.

Algunas de las consecuencias de la relatividad general son:

• Dilatación del tiempo gravitacional : Los relojes funcionan más lento en pozos gravitacionales más profundos. ^{[ 11 ]}
• Precesión : Las órbitas precesan de una manera inesperada en la teoría de la gravedad de Newton. (Esto se ha observado en la órbita de Mercurio y en púlsares binarios ).
• Desviación de la luz : Los rayos de luz se curvan en presencia de un campo gravitatorio.
• Arrastre de marcos : Las masas en rotación "arrastran" el espacio-tiempo a su alrededor.
• Expansión del universo : El universo se está expandiendo, y ciertos componentes dentro del universo pueden acelerar la expansión .

Técnicamente, la relatividad general es una teoría de la gravitación cuya característica definitoria es el uso de las ecuaciones de campo de Einstein . Las soluciones de estas ecuaciones son tensores métricos que definen la topología del espacio-tiempo y el movimiento inercial de los objetos.

Einstein explicó que la teoría de la relatividad se enmarca dentro de una categoría de marcos científicos conocidos como «teorías de principios», teorías que parten no de construcciones especulativas ni de mecanismos imaginarios, sino de hechos empíricos bien establecidos y regularidades observadas en la naturaleza. A diferencia de las teorías constructivas, que intentan construir modelos de fenómenos a partir de procesos subyacentes supuestos, las teorías de principios, como la relatividad, adoptan un enfoque analítico: parten de principios verificados experimentalmente y trabajan deductivamente para descubrir las consecuencias lógicas y las restricciones que debe cumplir cualquier proceso físico. Al observar los procesos naturales, comprendemos sus características generales, diseñamos modelos matemáticos para describir lo observado y, mediante métodos analíticos, deducimos las condiciones necesarias que deben cumplirse. La medición de eventos individuales debe satisfacer estas condiciones y coincidir con las conclusiones de la teoría. ^{[ 2 ]}

Pruebas de la relatividad especial

La relatividad es una teoría falsable : hace predicciones que pueden ser comprobadas experimentalmente. En el caso de la relatividad especial, estas incluyen el principio de relatividad, la constancia de la velocidad de la luz y la dilatación del tiempo. ^{[ 12 ]} Las predicciones de la relatividad especial se han confirmado en numerosas pruebas desde que Einstein publicó su artículo en 1905, pero tres experimentos realizados entre 1881 y 1938 fueron cruciales para su validación. Estos son el experimento de Michelson-Morley , el experimento de Kennedy-Thorndike y el experimento de Ives-Stilwell . Einstein derivó las transformaciones de Lorentz a partir de primeros principios en 1905, pero estos tres experimentos permiten inducir las transformaciones a partir de la evidencia experimental.

Las ecuaciones de Maxwell —fundamento del electromagnetismo clásico— describen la luz como una onda que se mueve con una velocidad característica. La visión moderna sostiene que la luz no necesita un medio de transmisión, pero Maxwell y sus contemporáneos estaban convencidos de que las ondas de luz se propagaban en un medio, análogo a la propagación del sonido en el aire y a la propagación de ondas en la superficie de un estanque. Este medio hipotético se denominó éter luminífero , en reposo con respecto a las "estrellas fijas" y a través del cual se mueve la Tierra. La hipótesis de Fresnel sobre el arrastre parcial del éter descartó la medición de los efectos de primer orden (v/c), y aunque las observaciones de los efectos de segundo orden (v² ^/ c² ⁾ eran posibles en principio, Maxwell pensaba que eran demasiado pequeños para ser detectados con la tecnología de la época. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

El experimento de Michelson-Morley fue diseñado para detectar efectos de segundo orden del "viento del éter", es decir, el movimiento del éter con respecto a la Tierra. Michelson diseñó un instrumento llamado interferómetro de Michelson para lograrlo. El aparato era suficientemente preciso para detectar los efectos esperados, pero obtuvo un resultado nulo cuando se realizó el primer experimento en 1881, ^{[ 15 ]} y nuevamente en 1887. ^{[ 16 ]} Aunque no detectar un viento del éter fue una decepción, los resultados fueron aceptados por la comunidad científica. ^{[ 14 ]} En un intento por rescatar el paradigma del éter, FitzGerald y Lorentz crearon independientemente una hipótesis ad hoc en la que la longitud de los cuerpos materiales cambia según su movimiento a través del éter. ^{[ 17 ]} Este fue el origen de la contracción de FitzGerald-Lorentz , y su hipótesis carecía de fundamento teórico. La interpretación del resultado nulo del experimento de Michelson-Morley es que el tiempo de viaje de ida y vuelta de la luz es isotrópico (independiente de la dirección), pero el resultado por sí solo no es suficiente para descartar la teoría del éter ni para validar las predicciones de la relatividad especial. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Si bien el experimento de Michelson-Morley demostró que la velocidad de la luz es isotrópica, no dijo nada sobre cómo cambiaba la magnitud de la velocidad (si es que cambiaba) en diferentes sistemas de referencia inerciales . El experimento de Kennedy-Thorndike fue diseñado para hacer eso, y fue realizado por primera vez en 1932 por Roy Kennedy y Edward Thorndike. ^{[ 20 ]} Obtuvieron un resultado nulo y concluyeron que "no hay efecto... a menos que la velocidad del sistema solar en el espacio no sea más que aproximadamente la mitad de la de la Tierra en su órbita". ^{[ 19 ] [ 21 ]} Se pensó que esa posibilidad era demasiado coincidente para proporcionar una explicación aceptable, por lo que a partir del resultado nulo de su experimento se concluyó que el tiempo de ida y vuelta para la luz es el mismo en todos los sistemas de referencia inerciales. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

El experimento Ives-Stilwell fue realizado por Herbert Ives y GR Stilwell por primera vez en 1938 ^{[ 22 ]} y con mayor precisión en 1941. ^{[ 23 ]} Fue diseñado para probar el efecto Doppler transversal —el desplazamiento al rojo de la luz de una fuente en movimiento en una dirección perpendicular a su velocidad— que había sido predicho por Einstein en 1905. La estrategia consistió en comparar los desplazamientos Doppler observados con lo predicho por la teoría clásica y buscar una corrección del factor de Lorentz . Se observó dicha corrección, de la cual se concluyó que la frecuencia de un reloj atómico en movimiento se ve alterada según la relatividad especial. ^{[ 18 ] [ 19 ]} 

Esos experimentos clásicos se han repetido muchas veces con mayor precisión. Otros experimentos incluyen, por ejemplo, el aumento relativista de energía y momento a altas velocidades, la comprobación experimental de la dilatación del tiempo y la búsqueda moderna de violaciones de la simetría de Lorentz .

Lejos de ser simplemente de interés teórico, los efectos relativistas son importantes consideraciones prácticas de ingeniería. Las mediciones basadas en satélites deben tener en cuenta los efectos relativistas, ya que cada satélite se mueve con respecto a un usuario terrestre y, por lo tanto, se encuentra en un marco de referencia diferente según la teoría de la relatividad. Los sistemas de posicionamiento global como GPS , GLONASS y Galileo deben considerar todos los efectos relativistas para funcionar con precisión, como las consecuencias del campo gravitatorio terrestre. ^{[ 24 ]} Esto también se aplica a la medición de alta precisión del tiempo. ^{[ 25 ]} Instrumentos que van desde microscopios electrónicos hasta aceleradores de partículas no funcionarían si se omitieran las consideraciones relativistas. ^{[ 26 ]}

• relatividad doblemente especial
• invariancia galileana
• Lista de libros de texto sobre relatividad

• Definición de teoría de la relatividad en Wikcionario
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