Teoría de la Relatividad
La teoría de la relatividad constituye un esfuerzo por unificar los fenómenos físicos y electromagnéticos dentro de un marco único de leyes fundamentales.
Nota. En el siglo XIX, los fenómenos físicos se explicaban mediante la mecánica clásica de Newton y su ley de la gravitación, mientras que los fenómenos electromagnéticos se describían a través de la teoría del electromagnetismo de Maxwell.
- ¿Quién formuló la teoría de la relatividad?
- Cómo comprender la relatividad
- ¿Qué significa espacio-tiempo relativo?
- ¿Qué significa tiempo relativo?
- No solo el tiempo: también el espacio es relativo
- Masa relativista
- Los dos postulados de la relatividad especial
- La teoría general de la relatividad
- En conclusión
¿Quién formuló la teoría de la relatividad?
La teoría fue presentada por Albert Einstein a comienzos del siglo XX. En 1905 publicó la teoría especial de la relatividad y, en 1915, la teoría general de la relatividad.
¿Cuál es la diferencia entre relatividad especial y general?
La relatividad especial se aplica a sistemas en movimiento rectilíneo uniforme, mientras que la relatividad general se extiende a cualquier tipo de movimiento, incluidos los acelerados y no uniformes.
Cómo comprender la relatividad
La manera más clara de aproximarse al concepto es mediante un ejemplo. Según la mecánica newtoniana, si se lanza una pelota en reposo aplicando una fuerza F, esta caerá a una distancia d1 del lanzador (fig. A).
Si la misma pelota se lanza desde el mismo punto y con la misma fuerza, pero esta vez desde un automóvil en movimiento, alcanzará una distancia mayor - hasta d2. Esto ocurre porque la velocidad V del vehículo se suma al impulso inicial del lanzamiento (fig. B).
Este principio se cumple para los cuerpos materiales, pero no para la luz
Imaginemos ahora encender los faros de un coche estacionado (fig. C) y luego los de un coche en movimiento (fig. D).
En principio, cabría esperar que la luz emitida desde el coche en movimiento viajara más rápido… pero no es así. En ambos casos, la luz se propaga siempre a la misma velocidad.
Nota. En la figura anterior, tras un intervalo de tiempo t+1, el haz luminoso ha recorrido la misma distancia d1, independientemente de si el coche está en reposo o en movimiento.
¿Por qué?
La explicación es directa: la velocidad de la luz es constante (299.000 km/s) y no depende del movimiento de su fuente emisora. Se trata de un hecho experimentalmente verificado.
Un dilema teórico
Las ecuaciones de Maxwell requieren que la velocidad de la luz sea invariable. La mecánica newtoniana, en cambio, no puede dar cabida a tal constancia.
Esta contradicción llevó a los físicos de finales del siglo XIX a buscar una teoría unificadora.
¿Qué solución propuso Einstein?
Para resolver la incompatibilidad entre las leyes de Maxwell y la mecánica newtoniana, Einstein propuso revisar el marco clásico e introducir el concepto de relatividad espacio-temporal.
¿Qué significa espacio-tiempo relativo?
Hasta el siglo XIX, el espacio y el tiempo se concebían como magnitudes absolutas: inmutables e independientes entre sí.
Una ilustración práctica
Imaginemos dos relojes idénticos. Uno permanece en casa (A), mientras que el otro viaja a gran velocidad (B).
Transcurrido un mes, cabría esperar que ambos marcaran la misma hora. Sin embargo, el reloj en movimiento se retrasa con respecto al que quedó en reposo.
Por lo tanto, el tiempo no es absoluto: se ve afectado por la velocidad.
A partir de esta constatación, Einstein desarrolló la idea de la relatividad del tiempo.
¿Qué significa tiempo relativo?
El transcurso del tiempo no es universal, sino que depende de la posición, la velocidad y las condiciones del sistema de referencia.
A velocidades cercanas a la de la luz, el tiempo fluye más lentamente (C) en comparación con el tiempo terrestre (A).
Ejemplo. En una nave espacial que viaje a velocidades próximas a la de la luz, un segundo a bordo se prolonga mucho más que un segundo en la Tierra. Así, mientras en la Tierra el tiempo transcurre con normalidad, en la nave se dilata. Este fenómeno se ilustra célebremente con la paradoja de los gemelos.
El siguiente gráfico muestra la relación entre la velocidad y la dilatación temporal.
A medida que la velocidad (v) se aproxima a la de la luz (c), la unidad de tiempo se dilata: un segundo (t’) resulta más largo que un segundo en la Tierra (t).
No solo el tiempo: también el espacio es relativo
Einstein demostró que espacio y tiempo son magnitudes relativas e interdependientes (relatividad espacio-temporal).
Ambos forman una sola entidad física denominada espacio-tiempo. Y el espacio-tiempo mismo es relativo.
Si el espacio se contrae, el tiempo se ralentiza; si el espacio se expande, el tiempo se acelera.
Ejemplo. Al pasar del espacio-tiempo A al espacio-tiempo B, el espacio se contrae y la duración del tiempo se dilata. En otras palabras, un segundo dura relativamente más. En el espacio-tiempo B, el tiempo fluye más despacio que en el espacio-tiempo A.
¿Cuándo se contrae el espacio?
El espacio se contrae en dos circunstancias:
- cuando aumenta la velocidad
- cuando se intensifica la gravedad
Al observar un objeto que se mueve a gran velocidad, este parece acortarse. La velocidad contrae el espacio.
Para el observador externo, el tiempo fluye con normalidad; para quien viaja a bordo, el tiempo se ralentiza.
Nota. El tiempo transcurre más lentamente en el interior de la nave espacial que en la Tierra. Si pudiéramos observar al astronauta desde fuera, percibiríamos sus movimientos en cámara lenta. No obstante, para él, el tiempo discurre con total normalidad. No percibe diferencia alguna. Lo he subrayado ya, pero conviene repetirlo: es un aspecto fundamental.
Masa relativista
Según Einstein, todas las magnitudes físicas fundamentales son relativas: la longitud, el tiempo y la masa.
Así, no solo el tiempo y el espacio (longitud), sino también la masa son relativos. Todo cuerpo posee una masa en reposo y una masa relativista que depende de su velocidad.
Los dos postulados de la relatividad especial
Con estos conceptos en mente, resulta más fácil comprender el alcance de los dos postulados de la relatividad especial formulados por Einstein:
- Primer postulado. Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales.
- Segundo postulado. La velocidad de la luz es constante e independiente del movimiento de su fuente.
La teoría general de la relatividad
En 1915, Einstein extendió la relatividad a los sistemas no inerciales, es decir, aquellos sometidos a movimientos acelerados (con velocidad variable).
Este nuevo marco recibió el nombre de relatividad general.
Nota. La teoría general de la relatividad (1915) es distinta de la especial (1905). Son teorías independientes, aunque íntimamente relacionadas.
La relatividad general es, ante todo, una teoría de la gravitación. Einstein recurrió al concepto de espacio-tiempo para explicar el origen de la fuerza gravitatoria.
En conclusión
En términos lo más sencillos posible, eso es la teoría de la relatividad de Einstein.
Confío en que esta síntesis haya resultado clara y accesible, y que sirva como base para una primera comprensión antes de adentrarse en los detalles.
