¿CÓMO COMENZÓ TODO?
Teoría de la relatividad
La teoría de la relatividad. Albert Einstein.
- Astrónomo clave: Albert Einstein (1879–1955)
- Antes:
1676 Ole Rømer demuestra que la velocidad de la luz es finita.
1687 Newton publica sus leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal.
1865 James Clerk Maxwell demuestra que la luz es una onda que avanza a velocidad constante por un campo electromagnético.
- Después:
1916 Karl Schwarzschild usa las ecuaciones de Einstein para calcular cuánto se curva la materia en el espacio.
1919 Arthur Eddington demuestra la curvatura del espacio-tiempo.
1927 Georges Lemaître demuestra que un universo relativista puede ser dinámico y propone la teoría del Big Bang
De la teoría de la relatividad general de Albert Einstein se ha dicho que es el mayor ejercicio de reflexión sobre la naturaleza jamás llevado a cabo por la mente de una persona: explica la gravedad, el movimiento, la materia, la energía, el espacio y el tiempo, la formación de los agujeros negros, el Big Bang y, posiblemente, la energía oscura. Einstein la desarrolló a lo largo de más de una década a principios del siglo XX e inspiró a Georges Lemaître, a Stephen Hawking y al equipo del LIGO, que buscó las ondas gravitatorias que predecía.
La teoría de la relatividad surgió a partir de una contradicción entre las leyes del movimiento de Isaac Newton y las leyes del electromagnetismo del científico escocés James Clerk Maxwell. Newton había descrito la naturaleza en función de la materia en movimiento, regida por fuerzas que actúan entre los objetos. Maxwell abordó el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, y dijo que la luz era una oscilación que atravesaba esos campos a una velocidad constante, independientemente de la velocidad a la que se moviera la fuente de luz.
Medir la velocidad de la luz no es tarea fácil. El astrónomo danés Ole Rømer lo había intentado en 1676 a partir del tiempo que la luz de los satélites de Júpiter tarda en llegar a la Tierra. Aunque su cálculo resultó ser un 25% demasiado lento, demostró que la velocidad de la luz es finita. Sin embargo, en un universo newtoniano, la velocidad de la luz tenía que cambiar a causa del movimiento relativo entre el punto de origen y el observador, pero, por mucho que las buscaron, los investigadores no pudieron encontrar diferencias en sus mediciones.
A finales del siglo XIX, muchos creían que los físicos habían descubierto todas las leyes del universo y que lo único que quedaba era hacer mediciones más precisas. Pero ya de niño, Einstein no estaba convencido de que la cuestión física estuviera resuelta. A los 16 años de edad se preguntó: «¿Qué vería si estuviera sentado sobre un rayo de luz?». En un contexto newtoniano, habría viajado a la velocidad de la luz. La luz que viniera de frente llegaría a sus ojos al doble de la velocidad de la luz y, al mirar hacia atrás, no vería nada. Aunque la luz procedente de atrás viajara a la velocidad de la luz, jamás lo alcanzaría.
En primer lugar, la teoría de la relatividad especial, también llamada teoría de la relatividad restringida, es una teoría de la física publicada en 1905 por Albert Einstein. Además, surge de la observación de que la velocidad de la luz en el vacío es igual en todos los sistemas de referencia inerciales y de obtener todas las consecuencias del principio de relatividad de Galileo, según él cualquier experimento realizado, en un sistema de referencia inercial, se desarrollará de manera idéntica en cualquier otro sistema inercial.
La teoría es “especial”, ya que sólo se aplica en el caso especial donde la curvatura del espacio-tiempo debido a la gravedad es despreciable. Con el fin de incluir la gravedad, Einstein formuló la relatividad general en 1915. La relatividad general es capaz de manejar marcos de referencia acelerados, algo que no era posible con las teorías anteriores.
Teoría especial
La Teoría de la relatividad especial estableció nuevas ecuaciones que facilitan pasar de un sistema de referencia inercial a otro. Las ecuaciones correspondientes conducen a fenómenos que chocan con el sentido común, como son la contracción espacial, la dilatación del tiempo, un límite universal a la velocidad, la equivalencia entre masa y energía o la relatividad de la simultaneidad entre otros, siendo la fórmula E=mc2 o la paradoja de los gemelos dos de los ejemplos más conocidos.
En consecuencia, en el siglo XVI Galileo Galilei definió el principio de la relatividad afirmando que “no hay manera de saber si un sistema está quieto o se mueve a velocidad constante”. Este vídeo explica de manera sencilla y con ejemplos este interesante tema.
“Las cosas no están nunca en movimiento o reposo absoluto, las cosas se mueven relativamente las unas a las otras y cada observador vive las velocidades y las distancias de una forma distinta basándose en su marco de referencia, salvo la velocidad de la luz”,según se explican en el vídeo.
Después de que Einstein completara su artículo sobre la teoría especial de la relatividad en 1905 descubrió una consecuencia más de los postulados de la relatividad que presentó, como una idea de último momento, en un artículo de solo tres páginas posterior ese mismo año. Desde el punto de vista del efecto de la física en la historia mundial, resultó ser el más significativo de todos sus hallazgos: la quivalencia entre masa y energía.
Sabemos que cuando se realiza trabajo sobre un objeto, como golpear una pelota de tenis con una raqueta, el objeto adquiere energía. En la teoría de la relatividad, el aumento de la velocidad y, por lo tanto, el aumento de la energía cinética de una pelota de tenis o de cualquier otro objeto, da como resultado un aumento de la masa (o inercia), aunque en el día a día suele ser solo un aumento infinitesimal.
Al examinar esta relación entre velocidad relativa y masa efectiva con más detenimiento Einstein descubrió que cualquier aumento en la energía de un objeto debería producir un aumento de la masa medida; este incremento de energía daría igual si se hace acelerando el objeto, o calentándolo, o cargándolo con electricidad, o simplemente realizando trabajo elevándolo en el campo gravitacional de la Tierra. En resumen, Einstein descubrió que un cambio en la energía es equivalente a un cambio en la masa.
No solo eso. Descubrió además que la equivalencia funciona en ambos sentidos: un aumento o disminución de la energía en un sistema aumenta o disminuye correspondientemente su masa, y un aumento o disminución de la masa corresponde a un aumento o disminución de la energía. En otras palabras, la masa en sí misma es una medida de una cantidad equivalente de energía.
Dicho de otra manera, un cambio (recordemos que los cambio se expresan con la letra griega delta mayúscula, Δ) en la cantidad de energía, E, de un objeto es directamente proporcional a un cambio en su masa, m. Lo que Einstein hizo en su articulito de tres páginas es demostrar que esa constante de proporcionalidad es el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío, c2. En símbolos, ΔE = Δm·c2, o de forma más genérica, E = m·c2, probablemente la ecuación más famosa de todos los tiempos.
Significa que un cambio de masa observado es equivalente a un cambio de energía, y viceversa. Pero también significa que la propia masa de un objeto, incluso si no cambia, es equivalente a una enorme cantidad de energía, ya que la constante de proporcionalidad, c2, el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío, es un número enorme.
Por ejemplo, la energía contenida en un solo gramo de materia es de E = 0,001 kg · (299792485 m/s)2 = 8,988·1013 kg·m2/s2≈ 9·1013 J. Esta enorme cantidad de energía es aproximadamente la misma que libera la explosión de 20.000 toneladas de TNT (20 kilotones).
La transformación de masa en energía es la fuente de las energías liberadas por las sustancias radiactivas, por nuestro Sol y otras estrellas, por las armas nucleares y por los reactores nucleares que producen energía eléctrica.
No solo masa y energía son “equivalentes”, podemos afirmar que la masa es energía. Esto es exactamente lo que concluyó Einstein en 1905: “La masa de un cuerpo es una medida de su contenido energético”. Nada impide que consideremos la masa como “energía congelada”, congelada en el momento en que el Universo se enfrió poco después del Big Bang y la energía se agrupó formando “bolas” de materia, las partículas elementales de las que se compone la materia ordinaria.
Por lo tanto, cualquier energía adicional que se añada a una masa aumentará su masa aún más. Por ejemplo, a medida que aceleramos los protones en el laboratorio a casi la velocidad de la luz, su masa aumenta de acuerdo con la fórmula relativista para mm. Este aumento también se puede interpretar como un aumento en el contenido de energía de los protones.
Estas dos deducciones diferentes de la teoría de la relatividad -aumento de masa y equivalencia de masa de energía- son consistentes entre sí. Esta equivalencia tiene un significado muy importante. Primero, dos grandes leyes de conservación se convierten en dos formas alternativas de una sola ley. En cualquier sistema cuya masa total se conserve, la energía total también se conserva. En segundo lugar, surge la idea de que parte de la energía en reposo podría transformarse en una forma de energía más familiar. Dado que el equivalente energético de la masa es tan grande, una reducción muy pequeña en la masa en reposo liberaría una enorme cantidad de energía, por ejemplo, energía cinética o energía electromagnética.
La paradoja de los gemelos
Una de las paradojas más conocidas de la relatividad general se ilustra mediante la historia de unos gemelos recién nacidos. Uno permanece en la Tierra y el otro viaja en una nave espacial hasta una estrella a cuatro años luz de distancia, a una velocidad media de 0,8c, lo que significa que regresará de su viaje de ocho años luz el día en que su hermano cumpla diez años. No obstante, él solo cumple seis años según el reloj de la nave, que al estar en un marco temporal en movimiento, se ha movido más despacio.
La relatividad insiste en que el gemelo del cohete también puede considerarse en reposo, lo que llevaría a una paradoja: desde su punto de vista, el que se ha movido es el gemelo que ha permanecido en la Tierra. La explicación es que solo el gemelo de la nave se ha visto sometido a la aceleración, con la consiguiente dilatación del tiempo, tanto a la ida como al cambiar de dirección y a la vuelta. El de la Tierra ha permanecido en un solo marco de referencia, mientras que el otro ha estado en dos: al ir y al volver. Por tanto, las situaciones de ambos no han sido simétricas, y el que se ha quedado en casa es ahora cuatro años mayor que su hermano.
La paradoja de los gemelos ha sido muy explotada por la ciencia ficción. En la película El planeta de los simios, a su regreso a la Tierra, los astronautas descubren que han pasado miles de años. En Interstellar se contrató a físicos para garantizar que el tiempo transcurrido para cada personaje fuera correcto según la relatividad.
Anteriores textos fueron tomados de las siguientes páginas:
https://www.ambientum.com/ambientum/ciencia/teoria-de-la-relatividad-especial.asp
https://culturacientifica.com/2018/02/06/equivalencia-masa-energia
http://www.nocierreslosojos.com/teoria-relatividad-einstein/
