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TEORíA DE LA RELATIVIDAD EXPLICADA

Octubre 2009

La relatividad es una de las grandes unificaciones de las leyes de la naturaleza que ha habido en la historia

1. Newton había descubierto unas leyes que explicaban tanto en movimiento de los cuerpos celestes como de los terrestres.

2. Maxwell había logrado unificar en un solo set de leyes, la explicación del magnetismo, electricidad e incluso la luz. Así que en 1900 había dos sets de leyes: una para los cuerpo y otra para las ondas.

3. La relatividad logró un set de ecuaciones que explican cuerpos y ondas.
La relatividad se descubrió tratando de resolver unas interrogantes de la física del 1900
No fue tratando de hacer una “unificación”: en aquel momento nadie sentía la necesidad de que hubiera un único set de leyes, para los distintos ámbitos. Lo descubrió tratando de resolver dos problemas primero (más adelante trataría de resolver la gravedad):

1. ¿Por qué no se podía medir la velocidad absoluta de la Tierra respecto al éter?

2. ¿Era la luz una onda o una partícula?

Para explicar mejor el mundo, la Relatividad hizo tres ajustes a la física clásica
Resolviendo estos interrogantes, hizo tres ajustes a física clásica (Newton + Maxwell), y llegó a la nueva física: la relativista.
1. Tratando de resolver la primea pregunta, por qué no se detecta el efecto del éter, llegó a la conclusión había que rechazar que el espacio era algo absoluto, fuera de las cosas, sino que el espacio había que verlo como otra “cosa” más. Las teorías de Newton y Maxwell concebían el espacio como lleno de un “éter”, como si fuera una sustancia, aunque fuera en el vacío. En la mecánica de newtoniana, ese éter explicaba la inercia que experimentaban los cuerpos al cambiar de movimiento. En la electromagnética de Maxwell ese éter explicaba cómo se desplazaban las ondas. Es decir, a principios del siglo 20 se pensaba que el espacio era absoluto, era un transfondo en el que estaban colocadas las cosas, pero que estaban fuera de las cosas.

2. También había que ajustar la Segunda Ley F = m a. Diciendo que, cuando se aplica energía a un objeto, su masa aumenta. Sólo es perceptible para objetos muy pequeños (electrones) o fuerzas muy grandes (cósmicas). De aquí se concluye que la masa se puede transformar en energía (e=mc2) , el fundamento de la bomba atómica.

3. Estableció que había algo absoluto: la velocidad de la luz: no dependía de la velocidad del objeto que la emitiera. No se cumple la suma de velocidades que en Newton se da cuando dos cosas caminan en direcciones opuestas.
Más adelante, incorporó la fuerza de la gravedad a sus ecuaciones, y llegó a la conclusión de que la gravedad es un torcimiento en el espacio, que hace que dos cosas se muevan hacia ellas.
Einstein consiguió un set de ecuaciones que explicaban todos los movimientos en el Universo
La ecuación de Einstein se lee así:
Curvatura de Espacio-Tiempo = Una constante x Distribución de la materia en el espacio- tiempo.
La afirmación que esta ecuación tiene es esta: la curvatura del espacio-tiempo es proporcional a la acumulación de materia-energía. Es decir, donde haya más concentración de materia-energía el espacio estará más curveado. Esto significa que el espacio-tiempo experimenta también la fuerza de la gravedad y de dobla en la presencia de cosas.
¿Qué implicaciones tiene la Relatividad?
1. La Relatividad permitió descubrir que el Universo se está expandiendo y el big-bang
2. La Relatividad permitió entender mejor la naturaleza dual de la luz, y con ello la mecánica cuántica, que explica mejor el mundo que la mecánica clásica.
3. El que la Relatividad haya sido una gran unificación de las leyes de la física (antes cada ámbito tenía sus leyes) ha desatado la sospecha de que el universo está atravesado por una racionalidad fortísima, como si hubiera salido de una mente.
IDEAS SOBRE LA RELATIVIDAD. MATERIAL CRUDO.
Una de las grandes unificaciones de la ciencia la realizó Newton, cuando descubrió unas leyes que unifican la mecánica de los cuerpos celestes con la de los cuerpos terrestres. Son sus tres leyes mecánicas (inercia, masa, acción-reacción) y la de gravitación.
La segunda gran unificación la consiguió en el siglo 19 James Maxwell, que consiguió demostrar que todos los fenómenos con ondas (electromagnéticos) obedecían a 4 ecuaciones. Con esto unificó fenómenos que parecían tan dispares como el magnetismo, la electricidad y la luz.
Hacia el 1900, cuando Einstein empezó a estudiar física, la física tenía dos sets de leyes:
a) la mecánica de Newton explicaba el comportamiento de los cuerpos y
b) la electromagnética de Maxwell explicaba el comportamiento de las ondas.
Lo que Einstein descubrió entre 1905 y 1916 fue un set de ecuaciones que unificaban ambas mecánicas. A esta teoría se la llamó la Teoría de la Relatividad.
Einstein concibió esta teoría, buscando la respuesta a dos preguntas que estaban flotando entre los físicos a principios del siglo 20:
1. ¿Por qué no se podía medir la velocidad absoluta de la Tierra? En 1887 se había hecho un experimento (Michelson y Morley) para medir la velocidad absoluta de la Tierra, comparándola con el éter, o el espacio. En un aparato, llamado inteferómetro, se iban a meter dos rayos de luz y las franjas de interferencia se iban a desplazar por la diferencia entre la velocidad de la tierra y de éter. Pero el experimento no detectó ningún desplazamiento. Y no se sabía por qué. Parecía como si la masa del aparato se contrajera levemente con la velocidad de la tierra y con eso compensara exactamente el desplazamiento de la luz.
2. ¿Es la luz una onda o una partícula? Para esos años se pensaba que la luz era una onda, una energía que viajaba apoyada en el espacio. Pero en 1900, Plank descubrió que la luz se comportaba a veces como un cuerpo: si la luz golpeaba un metal, se desprendía un electrón (efecto foto-eléctrico).
Cómo Einstein respondió a los interrogantes
Einstein le dio mucho pensamiento a esto y acabó dándose cuenta de que para poder explicar estos misterios sobre el comportamiento de la luz había que rechazar (o matizar) algunos postulados de la física newtoniana:
1. había que rechazar que el espacio era algo absoluto, fuera de las cosas, sino que el espacio había que verlo como otra “cosa” más, que experimenta también la fuerza de la gravedad, y se dobla, se contrae y se expande cuando se encuentra con otras cosas. Las teorías de Newton y Maxwell concebían el espacio como lleno de un “éter”, como si fuera una sustancia, aunque fuera en el vacío. En la mecánica de newtoniana, ese éter explicaba la inercia que experimentaban los cuerpos al cambiar de movimiento. En la electromagnética de Maxwell ese éter explicaba cómo se desplazaban las ondas. Es decir, a principios del siglo 20 se pensaba que el espacio era absoluto, era un transfondo en el que estaban colocadas las cosas, pero que estaban fuera de las cosas.
2. había que rechazar la segunda ley de Newton que dice que la masa de un cuerpo siempre es constante, que es siempre la proporción entre la fuerza que recibe un cuerpo, y la aceleración con la que reacciona a esa fuerza (F = m a). Einstein estableció que la masa aumenta a medida que se le aplica más fuerza, más energía. Esto tiene como consecuencia el que la energía se puede transformar en masa, o la masa en energía. Esto quedó expresado en su famosa ecuación E = m c2.
3. estableció que había algo absoluto: la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es la velocidad máxima absoluta que puede alcanzarse en el universo. Y es independiente de la velocidad del cuerpo que se está acercando a la fuente de luz.
Qué significan las ecuaciones de campo de Einstein
Apoyado en estas concepciones, formuló un set de ecuaciones que servían para explicar dónde y cuándo se posicionan las cosas en el universo:
Gµ?= 8p GN Tµ?
Donde:
Gµ? = “Tensor de Einstein” que mide la Curvatura del Espacio-Tiempo
GN = Constante de Gravitación de Newton: 6.6 x 10-11 N (m/Kg)2
Tµ? = “Stress Energy Tensor” que describe cómo la materia y la energía se distribuyen en el espacio y el tiempo
La ecuación de Einstein se lee así:
Curvatura de Espacio-Tiempo = Una constante x Distribu
ción de la materia en el espacio- tiempo.
La afirmación que esta ecuación tiene es esta: la curvatura del espacio-tiempo es proporcional a la acumulación de materia-energía. Es decir, donde haya más concentración de materia-energía el espacio estará más curveado. Esto significa que el espacio-tiempo experimenta también la fuerza de la gravedad y de dobla en la presencia de cosas.
El momento en que Einstein descubrió la Relatividad
Con Besso, su amigo, discurriendo en la oficina de patentes…
They talked for hours, discussing every aspect of the problem, including Newton’s concept of absolute space and time, which seemed to violate Maxwell’s constancy of the speed of light. Eventually, totally exhausted, Einstein announced that he was defeated and would give up the entire quest. It was no use; he had failed.
[…] Then it suddenly hit him, the key to the entire problem. Einstein recalled, “A storm broke loose in my mind.” The answer was simple and elegant: time can beat at different rates throughout the universe, depending on how fast you moved. Imagine clocks scattered at different points in space, each one announcing a different time, each one ticking at a different rate. One second on Earth was not the same length as one second on the moon or one second on Jupiter. In fact, the faster you moved, the more time slowed down.
Qué significa Relatividad en Física
En física, la palabra relatividad tiene un significado opuesto al que tiene en el lenguaje ordinario. En física, el principio de relatividad lo que busca es que todas las leyes de la naturaleza que se encuentren sean válidas en todos los marcos de referencia: en todos los tiempos, en todos los lugares, en todas las circunstancias. Y que no sean dependientes de quién sea el que los observa. En lenguaje corriente, a esto se le llamaría, más que relatividad, absolutividad.
Por lo dicho anteriormente, esta “relatividad” lleva implícita dos cosas:
1. Un principio de simetría: las cosas deben de verse iguales desde cualquier ángulo. Esto de la simetría luego tendrá unas grandes implicaciones para encontrar el GUT o una teoría general unificadora de toda la física.
2. Una cierto principio de conservación: para que todo el mundo que vea una realidad la vea igual, la cantidad de energía debe ser la misma.