RESEÑA HISTÓRICA DE LA RELATIVIDAD

RESEÑA HISTÓRICA DE LA RELATIVIDAD

El Principio de la Relatividad es mucho más antiguo que la Teoría de la Relatividad, incluso más antiguo que la mecánica de Newton. Este fue formulado por Galileo Galilei (1564 - 1642) alrededor del año 1600, como un argumento en la discusión del heliocentrismo versus el geocentrismo. Los defensores del geocentrismo, que en este momento creían firmemente en la física de Aristóteles (384 A.C. - 322 A.C.) y en la astronomía de Ptolomeo (c. 100 - c. 170), argumentaban que, si fuera verdad que la Tierra se moviera alrededor del Sol y alrededor de su eje, ¿por qué no lo notamos? ¿Por qué una bola que dejamos caer desde una torre alta termina al pie de la torre y no a cierta distancia hacia el Oeste, debido a la supuesta rotación de la Tierra de Oeste a Este? Como respuesta a este argumento Galilei introdujo una nueva idea: la inercia. De sus múltiples experimentos con bolas rodando sobre planos inclinados, había llegado a la conclusión de que una masa en movimiento uniforme rectilíneo mantendrá eternamente este movimiento mientras que no actúe ninguna fuerza exterior sobre ella (esto es la Segunda Ley de Newton en forma cualitativa). Como ejemplo, Galilei dijo que si dejamos caer una bola desde la gavia de un barco en movimiento (uniforme), la bola tocaría la cubierta en el pie del mástil y no más hacia la popa, puesto que la bola conserva la velocidad uniforme del barco durante su caída. De la misma manera, el argumento de los geocentristas no demostraba necesariamente que la Tierra esté en reposo.

El propio Galilei se dio cuenta de que la formulación inversa también es válida. Imaginémonos un observador que se mueve con la misma velocidad que una masa en movimiento uniforme y rectilíneo. Para este observador la masa estaría en reposo. Dado que, por el principio de inercia, sin influencias externas ambos mantendrán su movimiento, para el observador esta masa seguirá en reposo hasta que actué una fuerza exterior sobre ella.

Por lo tanto la conclusión que saco Galilei es que un observador no es capaz de determinar si él está en un sistema en reposo o en movimiento uniforme y rectilíneo. Este principio se llama el Principio de la Relatividad que según Galilei: Es imposible determinar la base de experimentos (mecánicos) si un sistema de referencia esta en reposo o en movimiento uniforme y rectilíneo.

En años posteriores exactamente en 1687 Newton publica sus Principios, en donde se formulan los conceptos del espacio y el tiempo absolutos, y sus leyes del movimiento y de la gravedad, las célebres leyes de Newton, basados en la llamada relatividad de Galileo. En 1864 Maxwell formula sus leyes unificadas del electromagnetismo, aquí se describen las ondas electromagnéticas y, en particular, las ondas luminosas. Según esta teoría la velocidad de la luz solo debía depender de las propiedades eléctricas y magnéticas del medio y no de la velocidad del sistema de referencia de las medidas, lo que planteaba un problema. Esto se debe a que en la mecánica newtoniana, las velocidades son aditivas (se suman). Por poner un ejemplo si de un cohete que se desplaza a la velocidad de 7 km/s con relación a la Tierra se lanza una bola de cañón hacia el frente a la velocidad de 1 km/s con relación al cohete, la velocidad del proyectil con relación a la Tierra será de 8 km/s. Si la bola se lanzara en sentido contrario, su velocidad sería de 6 km/s.

Sin embargo las ecuaciones de Maxwell dicen que si se emite un haz luminoso desde el cohete hacia el frente o hacia la parte de atrás, la velocidad de la luz medida sobre la Tierra será la misma. Esto fue refutado por el experimento hecho por Michelson y Morley en 1887, con la propia Tierra desempeñando el papel del cohete. Como nuestro planeta se desplaza en torno al Sol a la velocidad de 30 km/s, querían ver si podían poner de relieve una diferencia de la velocidad de la luz entre la dirección del movimiento de revolución y la dirección perpendicular. Al no obtenerse el patrón de interferencia luminosa, se confirmó la teoría de Maxwell y se cuestionó la existencia del éter que se suponía era el medio en el que se propagaban las ondas electromagnéticas y la luz.

Para intentar explicar los resultados del experimento de Michelson y Morley, Hendrik Lorentz sugirió en 1895 unas nuevas fórmulas de transformación para pasar de un sistema de referencia a otro; se trataba de unas ecuaciones para hacer compatible la constancia de la velocidad de la luz, pero que carecían de una significación clara. Así, supuso una teoría del éter en la cual objetos y observadores viajarían a través de un éter estacionario, sufriendo un acortamiento físico (hipótesis de contracción de Lorentz) y un cambio en el paso del tiempo (dilatación del tiempo). La explicación de Lorentz suministraba una reconciliación parcial entre la física newtoniana y el electromagnetismo, que se conjugaban aplicando la transformación de Lorentz, que vendría a sustituir a la transformación de Galileo vigente en el sistema newtoniano. Estas fueron unas ecuaciones de primer orden y el mismo Lorentz público en 1899, una versión de segundo orden de las transformaciones de Lorentz, que incluían una dilatación del tiempo en el sistema de referencia móvil por una cantidad indeterminada. Y finalmente en 1904 Lorentz adaptó su teoría de los electrones a la imposibilidad de los experimentos eléctricos u ópticos de detectar el movimiento del sistema de referencia y publicó las transformaciones correctas. Derivó de ellas una serie de resultados tales como la correcta variación de la masa en función de la velocidad para toda la materia.

Finalmente en septiembre de 1905, hasta ese momento un desconocido físico alemán publicó un artículo que cambió radicalmente la percepción del espacio y el tiempo que se tenía en ese entonces. En su Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Albert Einstein revolucionó al mundo al postular lo que ahora conocemos como Teoría de la Relatividad Especial. Esta teoría se basaba en el Principio de relatividad y en la constancia de la velocidad de la luz en cualquier sistema de referencia inercial, sin asumir la presencia de un éter. De ello Einstein dedujo las ecuaciones de Lorentz. También reescribió las relaciones del momento y de la energía cinética para que éstas también se mantuvieran invariantes.

La teoría permitió establecer la equivalencia entre masa y energía y una nueva definición del espacio-tiempo. De ella se derivaron predicciones y surgieron curiosidades. Como ejemplos, un observador atribuye a un cuerpo en movimiento una longitud más corta que la que tiene el cuerpo en reposo y la duración de los eventos que afecten al cuerpo en movimiento son más largos con respecto al mismo evento medido

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