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einstein1 La teoría de la relatividad, introducida por Einstein en 1905, ha sido una de las aventuras del pensamiento más interesantes de todos los tiempos. Fue una gran revolución, en momentos en que las ciencias, la física entre ellas, daban cuenta asombrosa de la fenomenología conocida de la naturaleza. El sujeto principal de esta teoría es el espacio y el tiempo. ¿Cuáles son los principios esenciales de esta teoría y cómo surgieron?

La relatividad es una de las grandes contribuciones de la ciencia del siglo XX y aunque más de un científico importante estaba en el camino de su descubrimiento, fue la obra del físico Albert Einstein.

En 1905, el año de la publicación de la relatividad, Einstein era un empleado de la Oficina de Patentes de Berna en Suiza.

Un siglo de triunfos

El final del siglo XIX era un tiempo de éxitos para la ciencia. Grandes triunfos de la ciencia y la técnica: el advenimiento de nuevas teorías y áreas del conocimiento -la teoría de la evolución de Darwin, la emergente geología de Lyell, la genética y la microbiología nutridas de los trabajos de Mendel y Pasteur- y un sinnúmero de aplicaciones tecnológicas. El cuadro general del mundo y sus fenómenos era altamente embriagador.

En la física, un especial papel lo jugaba la teoría electromagnética de Maxwell, sus predicciones respecto de las ondas electromagnéticas, la caracterización de la luz como una de ellas, además del desarrollo de modelos microscópicos para los fenómenos termodinámicos, por el propio Maxwell y por Boltzman.

Pequeñas nubes en el horizonte

Grandes físicos pensaban que no quedaba mucho por hacer, fuera de refinamientos en las mediciones. Lord Kelvin, un muy respetado científico, recomendaba a los jóvenes interesados en la ciencia que se dedicaran a otra cosa, y Albert Michelson, un físico experimental que examinaría las propiedades del éter como medio de propagación de la luz, decía que las leyes y fenómenos fundamentales ya habían sido descubiertos, y que esas leyes estaban tan firmemente establecidas que la posibilidad de que en el futuro fueran suplementadas por otras era extremadamente remota.

Sorprendentemente, el mismo Lord Kelvin avizoraba los problema que traerían cambios fundamentales en la ciencia. Señalaba como "pequeñas nubes en el horizonte": los resultados negativos acerca del éter y la dificultad para explicar la distribución de energía en función de la frecuencia de la radiación de un cuerpo negro.

Esos dos problemas darían origen precisamente a las dos grandes revoluciones en la ciencia del siglo XX: la relatividad y la mecánica cuántica.


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El éter y un experimento con resultados negativos

La teoría electromagnética había incorporado la hipótesis del éter como el medio fundamental donde se desarrollaban los fenómenos electromagnéticos y con el cual éstos eran explicados junto a la propagación de la luz.

El éter era un elemento de la teoría electromagnética, caracterizado con propiedades portentosas y bizarras. Su definición más parecía un acto de fe profunda, una expresión mistica de una creencia:

Fluido eminentemente elástico, difundido en todo el universo, que penetra la masa de todos los cuerpos, llenando los espacios intermoleculares, no menos que los espacios interestelares.

En el contexto de una ciencia con tanto poder el éter debía también ser escudriñado con rigor. Albert Michelson, un oficial de marina formado en física y química, en 1881 y después con Edwin Morley en 1887, desarrolló experimentos para medir la velocidad de la luz, con base en la interferencia de las ondas, y que dieron como resultado una negativa cuenta de la presencia del éter. No parecía haber tal éter, por lo menos en el espacio alrededor de la Tierra.

Fue el marco esencial, aunque no necesariamente la fuente de inspiración directa para los trabajos de Einstein que dieron origen a la teoría de la Relatividad.

Los postulados de la Relatividad Especial

La relatividad especial, llamada así en contraste con la otra teoría de Einstein, la Relatividad General, donde la primera relaciona las observaciones físicas entre sistemas de referencia que se mueven entre sí con velocidad constante, está construida en torno a la relatividad del movimiento y a las propiedades de la luz.

La teoría se basa en dos postulados esenciales:

Postulado 1

El movimiento absoluto y uniforme no puede ser detectado.

Postulado 2

La velocidad de la luz es independiente del movimiento de la fuente.

Estos postulados pueden ser formulados de otras maneras distintas, con iguales consecuencias, naturalmente.
 
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El movimiento absoluto y uniforme no puede ser detectado

Aunque ambos postulados son imprescindibles, este primer postulado es de una naturaleza completamente revolucionaria. Se le conoce a veces como el principio de relatividad. Representa el acuerdo con la inexistencia del éter, aún cuando históricamente Einstein buscó otras inspiraciones.

El movimiento es relativo. No es posible establecer un marco de referencia en el universo, privilegiado, frente al cual pudiera establecerse lo que se mueve y lo que no se mueve en el cosmos. La idea detrás de esto no es eso que se dice a veces, que "la naturaleza está en constante movimiento". Se trata de la ausencia de una referencia que de manera absoluta -es decir, opuesto a lo relativo- establezca si un objeto se traslada o está en reposo universal.

Para entender como funciona este principio de relatividad, es decir, qué es lo que implica, es interesante ver algunos ejemplos concretos.

Algo muy interesante es una forma alternativa de enunciar este primer postulado de la relatividad: que las diversas leyes de la física son las mismas para observadores en distintos sistemas de referencia que se hallen en movimiento relativo mutuo con velocidad constante. Jugando con las palabras podríamos decir que las leyes de la física son "absolutas" debido al principio de relatividad.


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Un principio de relatividad fue enunciado, mucho antes que Einstein, a fines del siglo XVI, por Galileo Galilei. ¿Es que acaso en esa época ya se concebía la relatividad?

Efectivamente, las ideas de relatividad del movimiento subyacen al pensamiento de esa época. Sin embargo, la relatividad de Galileo tiene una importante diferencia: la medida del tiempo es absoluta, porque esta medida no dependería del observador.

Rigurosamente examinado el pensamiento de Galileo, y el de Newton, éste se afirmaba en un espacio y un tiempo absolutos. Pero, aún así, las leyes de la mecánica -las leyes de Newton- son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. Una consecuencia de esta visión es que con el estudio de los fenómenos electromagnéticos en el siglo XIX, las leyes del electromagnetismo -las leyes de Maxwell- no resultan ser las mismas para uno u otro sistema de referencia.

La relatividad especial de Einstein está rigurosamente de acuerdo con esta invariancia, o covariancia como se dice técnicamente, de las leyes de la mecánica y el electromagnetismo. Y, en con la Relatividad General, esta covariancia alcanza a todas las leyes de la física conocidas hasta ahora.

La velocidad de la luz es independiente del movimiento de la fuente

Que la velocidad de la luz sea independiente del movimiento de la fuente es una propiedad general de las ondas. Es decir, una vez emitido un pulso ondulatorio, por ejemplo un sonido por una guitarra, este sonido viaja por el aire a una velocidad relativa al aire que no depende del salto en el escenario que esté dando el ejecutante. Esa velocidad sólo depende de las propiedades del aire, su composición gaseosa y su temperatura.

En el caso de la luz, la única novedad es que no requiere más que del espacio para propagarse, sin necesidad de un medio material. Esta novedad, sin embargo, es crucial en lo que implican estos postulados.

Desarrollado por Luis Huerta (2004).


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Nota. El efecto Doppler

El hecho de que la velocidad de propagación de una onda no cambie con el movimiento de la fuente produce otro efecto: el conocido efecto Doppler. Es lo que percibimos en el sonido, por ejemplo, de la sirena de una ambulancia cuando está en movimiento. Cuando pasa frente a nosotros la frecuencia del sonido cambia; en efecto, disminuye. Ese cambio de frecuencia en la onda percibida se debe a que la fuente -la sirena de la ambulancia- cambia su velocidad relativa a nosotros. Cuando la ambulancia viene, las ondas, que siguen viajando a la misma velocidad respecto del aire, llegan a nosotros más agrupadas, esto es, con menor longitud de onda. Como consecuencia, la frecuencia se percibe más alta. Una vez que pasa la ambulancia y comienza a alejarse las ondas se distancian, la longitud de onda aumenta y la frecuencia percibida disminuye.

 

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