Teoría de la relatividad de Einstein

La teoría de la relatividad se refiere a dos teorías físicas fundamentales desarrolladas por Albert Einstein: la relatividad especial y la relatividad general. La relatividad especial, publicada en 1905, se ocupa de objetos que se mueven a velocidades constantes en líneas rectas y establece que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores no inerciales, es decir, en un espacio sin gravedad.

Consciente de las carencias de su propia teoría, Einstein busco la manera de plantear una ley de la relatividad que incluyera también la gravedad. Se dio cuenta de que, aunque en superficie los objetos aparentan caer en paralelo a iguales condiciones, no ocurría lo mismo si ambos objetos se dejarán caer hasta el centro de la tierra, pues describirían líneas geodésicas debido a la influencia de un cuerpo curvo, es este caso la Tierra. Al mismo tiempo, se percató del estado de ingravidez que experimenta un cuerpo en caída libre.

Desarrollando matemática y experimentalmente estas situaciones y contrastándolas con las aportaciones de otros científicos, concluyo el principio de equivalencia que era la teoría que podía relacionar la relatividad especial (sin gravedad) y la relatividad general (con gravedad). Einstein llegó a la conclusión de que la materia distorsiona el tiempo y el espacio, y altera el movimiento libre de fuerzas.

Esto le permitió introducir conceptos revolucionarios incluyendo la famosa ecuación E=mc². Por tanto, la relatividad general, formulada en 1915, es una teoría de la gravedad que transciende la relatividad especial y aplica el principio de equivalencia a cualquier observador, proponiendo que la presencia de materia y energía en el espacio-tiempo curvo, afecta a la trayectoria de los objetos.

La relatividad especial surgió como una solución a las discrepancias entre las leyes del electromagnetismo y la mecánica clásica. En particular, el experimento de Michelson y Morley no pudo detectar el eter luminífero, un medio supuestamente necesario para la propagación de la luz, similar al aire o al agua para el sonido. Durante el experimento vieron que dos rayos de luz, uno siguiendo el movimiento de rotación de la Tierra y otro perpendicular, llegaban a la vez.

Este paradójico resultado se opone a las leyes de movimiento de Newton que concluirían la existencia de un medio de propagación y una resultante de fuerzas, producto de la interacción de la velocidad de los rayos luminosos y el movimiento del cuerpo. Al mantenerse constante la velocidad de la luz, Einstein decidió apoyarse en las teorías de Maxwell sobre la electricidad y el magnetismo, determinando que el tiempo es relativo.

Para mantener una velocidad constante se necesita disminuir la distancia, por lo que el tiempo también se reduce en un fenómeno físico denominado dilatación temporal. A raíz de esto, Einstein determino que el tiempo propio pasa más despacio si nos movemos. Junto al factor tiempo también cambia el espacio, convirtiendo ambos en factores que se transforman con el movimiento de los cuerpos.

Gracias a la relatividad especial Einstein determinó que nada puede ir más rápido que la luz, que las leyes de la física permanecen constantes para todos los observadores inerciales, que la velocidad de la luz es una constante gracias a la dilatación del tiempo y la contracción del espacio, y la relación de igualdad entre masa y energía.

La relatividad general se originó del deseo de Einstein de expandir la relatividad especial para incluir la gravedad, y se inspiró en el principio de equivalencia, que sostiene que la gravedad y la aceleración son fenómenos indistinguibles. En otras palabras, Einstein visualizaba la gravedad como una consecuencia natural causada por la curvatura del espacio-tiempo.

La ecuación más famosa asociada con la relatividad de Einstein es E= mc2, que describe la equivalencia de masa y energía. En la relatividad general, las ecuaciones de campo de Einstein, relacionan la geometría del espacio-tiempo con la distribución de la masa y la energía en el universo. Einstein se apoyó en las transformaciones de Lorentz para percatarse de la estrecha relación entre la masa y la energía y simplificar su famosa fórmula.

La fórmula de la relatividad de Einstein también usó los conocimientos de otros científicos como Maxwell, concretamente sus leyes del movimiento enfocadas en la luz y el magnetismo, y la paradoja de Ehrenfest, donde las distancias en la parte tangencial de un cilindro en rotación se acortan mientras que se mantienen constantes en su dirección radial. Einstein reflexionó sobre estas cuestiones considerando un espacio curvo, el cual daría fin a semejante paradoja, haciendo posible esta distorsión espacial.

En otras palabras, determino como serían las líneas paralelas trazadas en un espacio con curvatura, como puede ser un planeta, estableciendo las trayectorias de partículas en ausencia de fuerzas e identificando el punto de corte. Un ejemplo de esto sería las líneas geodésicas paralelas que pasan por el Ecuador y se unen en los polos terrestres. Por tanto, la gravedad es una desaceleración que ejerce la Tierra para evitar que caigamos hacia su centro.

En palabras de John Wheeler la materia le dice al espacio cómo curvarse y el espacio le dice a la materia cómo moverse. Para la parte matemática de su experimento, Einstein pidió ayuda al matemático Marcel Grossman que le aconsejó apoyarse sobre las matemáticas de Bertrand Riemann, hoy conocida como geometría diferencial. Acotó que el efecto del cuerpo en el espacio-tiempo produce en otro objeto una aceleración si se acerca a determinada distancia, debido a esa curvatura espacial.

Para determinar la veracidad de la teoría de la relatividad lo aplicó al problema de la precesión de la órbita de mercurio. Con las leyes de Newton se daba una discrepancia entre el valor teórico y las observaciones. Sin embargo, con su teoría de la relatividad general, Einstein reduce a valores ridículos esa discrepancia, probando la veracidad de sus predicciones.

Para reforzar la opinión de la comunidad científica, Albert Einstein buscó un fenómeno que se pudiera medir y propuso la medición de la luz de estrellas próximas al sol para descubrir como afectaba la masa del astro a la trayectoria y energía de estas durante un eclipse solar. Aunque la luz no tenga masa, la equivalencia de la relatividad especial entre masa y energía, hace posible que el haz se distorsione al pasar cerca del sol. Con el tiempo, numerosas evidencias experimentales se sumaron a esta convirtiendo la teoría de la relatividad general de Einstein en una de las grandes aportaciones científicas.

Las teorías de la relatividad especial y general han tenido un impacto profundo en nuestra comprensión del universo y en el comportamiento de numerosas magnitudes físicas. Han permitido avances tecnológicos significativos, como los sistemas de posicionamiento global (GPS), que requieren correcciones relativistas para funcionar con precisión.

Además, la relatividad general es fundamental para la cosmología moderna y para la descripción de fenómenos, como los agujeros negros, los agujeros de gusano y las ondas gravitacionales. La teoría de la relatividad general cambia por completo nuestra percepción del tiempo, haciendo que este se dilate no solo por la posición relativa que ocupe un observador con respecto a otro, sino también por la presencia de un campo gravitatorio.

Gracias a la relatividad sabemos que cuerpos sin masa como la luz también gravitan, ya que la energía actúa como la masa en ese aspecto, perdiendo parte de su energía al pasar cerca de un cuerpo masivo, transformándose en una onda de menor frecuencia. Al igual que la energía y la masa, la presión también gravita con la particularidad de que tiene sentido negativo y positivo, lo que da pie a una presión gravitatoria repulsiva por la que se produciría la expansión del universo.

Albert Einstein (1879-1955) fue un físico teórico nacido en Ulm (Alemania), que se destacó en matemáticas y física desde una edad temprana. Se graduó de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich en 1900 y trabajó en la Oficina de Patentes de Berna.

• Presentó la teoría de la relatividad especial, que introdujo la equivalencia de masa y energía con la ecuación E=mc2. Las otras dos publicaciones de 1905 contribuyeron al movimiento browniano y al efecto fotoeléctrico, estableciendo un pilar para la teoría cuántica.
• En 1915, Einstein publicó la teoría de la relatividad general, que redefinía la gravedad como una propiedad del espacio-tiempo curvo en lugar de una fuerza a distancia. La confirmación de sus predicciones durante un eclipse solar en 1919 catapultó a Einstein a la fama mundial.
• Publicó cuatro artículos fundamentales que contribuyeron de manera significativa a la fundación de la física moderna mientras trabajaba como examinador de patentes. Introdujo la idea de que la luz estaba compuesta de partículas discretas, llamadas cuantos. Este concepto es fundamental para la teoría cuántica y le valió el Premio Nobel de Física en 1921.
• En sus últimos años, se convirtió en un defensor activo del pacifismo, el sionismo y otras causas sociales. Se mudó a los Estados Unidos en 1930 para escapar del ascenso del nazismo y tomó una posición en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, donde trabajó hasta su muerte en 1955.

Einstein dejó un legado no solo en la forma de sus teorías y descubrimientos, sino también en su ejemplo de responsabilidad social y compromiso con la paz mundial. Su trabajo continúa influyendo en la física moderna y su nombre se ha convertido en sinónimo de genialidad.

Ahora que ya conoces la teoría de la relatividad de Einstein, no te pierdas la Teoría del Big Bang: resumen e importancia y la Ley de la gravitación universal: fórmula y para qué sirve.

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