Teoría de la Relatividad

En 1905 Albert Einstein publicó un famoso artículo llamado "On the electrodynamics of moving bodies" en el cual escribía: "Independientemente del estado de movimiento de un observador siempre que se mida la velocidad de la luz esta será la misma". Para incluir este concepto de velocidad constante de la luz dentro de la física postuló lo que se conoce como

TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD.

La teoría especial de la relatividad comienza con dos principios:

1. Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores independiente de su movimiento.
2. La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los espectadores.

Para Einstein no existía el concepto de simultaneidad absoluta y por tanto tampoco el de tiempo absoluto. Utilizó las Transformaciones de Lorentz. para explicar los fenómenos de Dilatación del Tiempo y contracción de la longitud

Dilatación del Tiempo

El primero obtiene un tiempo llamado Tiempo propio (T0)

La formula de Lorentz relaciona estos dos tiempos:         

 T= T0/√1-(v/c)²

Si suponemos que la persona en movimiento tiene una velocidad del 98% de la velocidad de la luz, el fenómeno que dura un segundo en el reloj estático, dura 5 segundos en el que está en movimiento. A este fenómeno se le conoce como Dilatación del tiempo. El significado final es que el intervalo de tiempo medido en el reloj en movimiento es mucho mayor que el del reloj estacionario. Este fenómeno es completamente simétrico así que cada observador verá el otro reloj como el que estuviera mas lento. Los relojes biológicos cumplen con esta teoría es decir una persona viajando a la velocidad no se envejecerá tanto como una en reposo. La Paradoja de los Gemelos se refiere a que si dos gemelos se alejan a la velocidad de la luz cada uno verá al otro mas joven, en este caso lo que rompe la simetría es aquel que se acelera mientras que el que no lo hace no sufrirá el fenómeno de dilatación del tiempo.

Contracción de la Longitud

Si el tiempo no es absoluto ya que se ha demostrado que se dilata, entonces la longitud también puede variar. Cuando la medición se realiza para distancias perpendiculares a la dirección del movimiento ellas no se afectan, pero aquellas medidas paralelas al movimiento si lo hacen.

Podemos medir la longitud de un objeto al tomar el tiempo que dura este pasando por un punto de referencia, este intervalo de tiempo es t=L0/v, pero como el tiempo está dilatado entonces:

L= L0 √1-(v-c)²

De aquí que si el observador anterior al 98% de la velocidad mide una distancia de un metro en reposo paralela al movimiento este dará 20 cm. A esto se le conoce como Contracción de la longitud.

Energía

Otra predicción muy importante de la teoría de la relatividad especial es la famosa relación entre masa y energía, la cual se expresa como

E= mc²

La teoría especial de la relatividad muestra igualmente la razón por la cual se dice que nada puede viajar a la velocidad de la luz sino ella misma: Si se viajara en una nave a la velocidad de la luz y un rayo de la misma fuera al lado entonces la luz parecería estacionaria lo que contradice el concepto que todo observador independientemente de su velocidad observa la luz a la misma velocidad lo cual se ha medido de forma experimental.

TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD.

La teoría general de la relatividad es la teoría de la gravitación construida sobre las bases de la Teoría Especial de la Relatividad. Un principio básico de esta teoría es que la presencia de un campo gravitacional altera las reglas de la geometría del espacio y del tiempo (espacio - tiempo). El efecto es que el espacio - tiempo esta "curvado". Cuando un cuerpo esta en el espacio moviéndose lejos de un atracción gravitacional su movimiento es recto y a una velocidad constante pero si se acerca a un objeto masivo su movimiento es parabólico debido a que el recorrido lo hace sobre un espacio - tiempo curvado.

Principio de Equivalencia

El punto de partida de la teoría general de la relatividad es el llamado Principio de Equivalencia en el cual se postula que un campo gravitacional uniforme en una dirección dada, es indistinguible de una aceleración uniforme en la dirección opuesta. Usando el clásico ejemplo de la manzana cayendo hacia la tierra, Einstein explicó que esta se comportaría de idéntica manera si fuera la tierra la que se acercara a ella. En un pequeño volumen de espacio la atracción gravitacional ("hacia abajo") de un cuerpo puede ser duplicada por una aceleración "hacia arriba" del observador.

Pruebas sobre la existencia de la relatividad general

1. La precisa medición actual de la distancia tierra - luna realizada disparando rayos láser a pequeños espejos en la superficie lunar y midiendo el tiempo de ida y vuelta han permitido determinar por complejos cálculos que ambos objetos "caen" hacia el sol con la misma aceleración ( un objeto en órbita esta permanentemente cayendo hacia el cuerpo principal pero su aceleración evita que se dirija directamente hacia el).

2. En las órbitas elípticas la distancia del cuerpo orbitante al principal es variable así como su velocidad, de esta manera, este pasa a través de regiones de espacio - tiempo de diferente curvatura resultando que después de cada órbita la posición del perihelio se ha movido levemente. Este efecto es mas fuerte en órbitas de alta excentricidad como la de Mercurio. El perihelio de Mercurio avanza alrededor de 5600 segundos de arco por siglo debido a influencias gravitacionales variadas, de estos, 43 segundos de arco se deben a la influencia gravitacional del Sol.

3. Einstein predijo que la luz al pasar junto a un objeto masivo se desvía debido a que sigue la desviación que se produce en el espacio - tiempo ocasionada por la gravedad. En 1919 a través de la medición de la posición de una estrella cercana al sol en la fase total de un eclipse se demostró que estaba desplazada de su posición real. Esta observación hecha por Sir Arthur Eddington se ha comprobado en la época moderna pero midiendo las desviaciones de ondas de radio cuya ventaja es que no se son alteradas por la atmósfera terrestre.

4. En el fenómeno conocido como Corrimiento al rojo Gravitacional la longitud de onda de los fotones cambian cuando pasan a través de un campo gravitacional, en estos casos un fotón que se aleje de una masa aumenta su longitud de onda. Un fenómeno relacionado a esto es la Dilatación del Tiempo Gravitacional en la cual todos los osciladores o relojes corren mas lento en un campo gravitacional fuerte lo que se ha demostrado con relojes en tierra comparados con relojes en aviones.

5. La Teoría de la Relatividad General predice que ciertos tipos de sistemas deben emitir Ondas Gravitacionales. Las evidencias actuales de ondas gravitacionales son indirectas: estudios en sistemas binarios han mostrado pérdida de energía comparable a la predicha por emisión de ondas gravitacionales.

No es fácil entender desde nuestra óptica puramente Euclideana y Newtoniana los conceptos de la Relatividad. De otro lado aunque la física Newtoiniana explica la mayoría de los fenómenos físicos a escala humana y de hecho a sido utilizada para los exitosos viajes al espacio, las teorías de la relatividad son indispensables para explicar la física de las grandes velocidades y masas además para fenómenos tales como los agujeros negros.