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Teoría de la relatividad

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Concepto:Establece que el tiempo y el espacio son conceptos relativos por la imposibilidad de encontrar un sistema de referencia absoluto.

Teoría de la Relatividad. Es el marco teórico que explica el comportamiento del universo a nivel macro, es decir a nivel de galaxias, planetas, sistemas de estrellas o solares y demás cuerpos celestes. Cualquier teoría del movimiento que intente explicar la manera en que las velocidades (y fenómenos afines) parecen variar de un observador a otro sería una Teoría de la relatividad.

Historia

A finales del siglo XIX la comunidad científica sabia que había mucho por crear e inventar, aplicando los diversos principios físicos descubiertos, tales como la electricidad, magnetismo y mecánica, pero estaban convencidos de que ya casi no quedaba nada nuevo por explicar, la naturaleza había sido descubierta en su totalidad y ahora solo tenia que comenzar a aplicarse esos conocimientos a las actividades del ser humano para su propio beneficio y bienestar.

Hasta ese momento los cimientos de la física eran dos grandes columnas construidas por dos de los científicos más grandiosos de la ciencia. Una la teoría de la mecánica, donde todos los conocimientos de cinemática y dinámica desde Aristóteles hasta Galileo, fueron condensados en una sola teoría, conocida hoy como la Mecánica clásica, o Mecánica Newtoniana. La otra columna sustentaba la otra mitad de la física, referente a los efectos magnéticos y eléctricos conocidos desde los griegos hasta los últimos avances de Oersted, Faraday y Lenz. Toda esta información técnica fue unificada en la Teoría del Electromagnetismo del genial científico ingles James Maxwell.

Pero en realidad algo andaba mal, pues fueron apareciendo algunos nuevos cuestionamientos o efectos físicos desconocidos, y se pensó que “puliendo” un poco los conceptos del momento podrían explicarlos fácilmente, así que casi, fueron subestimados por gran parte de los investigadores de esa época.

Teorías

I

El tiempo absoluto, verdadero y matemático, en sí mismo y por su propia naturaleza, fluye de una manera ecuable y sin relación alguna con nada externo, y se conoce también con el nombre de duración; el tiempo relativo, aparente y común es una medida sensible y externa (ya sea exacta o inecuable) de la duración por medio del movimiento, y se utiliza corrientemente en lugar del tiempo verdadero; ejemplos de ello son la hora, el día, el mes, el año.

II

El espacio absoluto, por su propia naturaleza y sin relación alguna con nada externo, permanece siempre similar e inmovible. El espacio relativo es una dimensión o medida movible de los espacios absolutos, que nuestros sentidos determinan de acuerdo con su posición con respecto a los cuerpos y que por lo común se toma como espacio inmovible; tal es la dimensión de un espacio subterráneo, aéreo o celeste, determinado a través de su posición con respecto a la tierra. El espacio absoluto y el espacio relativo son iguales en forma y magnitud; pero no siempre coinciden numéricamente. Pues al moverse, por ejemplo, la tierra, un espacio cualquiera de nuestro aire, que relativamente y con respecto a la tierra permanece siempre igual, en un momento dado ocupará una cierta parte del espacio absoluto por el que atraviesa el aire; en otro momento ocupará otra parte distinta del mismo, y así, entendido en sentido absoluto, irá modificándose continuamente.

III

Es la parte del espacio que un cuerpo ocupa, y de acuerdo con el espacio puede ser absoluto o relativo. Dicha parte del espacio, no la situación ni la superficie externa del cuerpo. Pues los lugares de sólidos iguales son siempre iguales, mientras que sus superficies, por razón de sus disimilares figuras, son a menudo desiguales. En sentido propio, las posiciones no poseen cantidad, ni son tanto los lugares mismos como las propiedades de los lugares. El movimiento del total y la suma de los movimientos de las partes es todo uno; es decir, la traslación del todo fuera de su lugar y la suma de las traslaciones de las partes fuera de sus lugares es la misma cosa; y, por consiguiente, el lugar del todo es lo mismo que la suma de los lugares de las partes, y por esta razón es una propiedad interna e inherente al cuerpo como un todo.

IV

El movimiento absoluto es la traslación de un cuerpo desde un lugar absoluto a otro, y movimiento relativo, la traslación desde un lugar relativo a otro. Así, en un barco a toda vela, el lugar relativo de un cuerpo es aquella parte del barco que el cuerpo posee, o aquella parte de la cavidad que el cuerpo llena y que, por tanto, se mueve junto con el barco; y reposo relativo es la permanencia de un cuerpo en la misma parte del barco, o de su cavidad. En cambio, reposo real, absoluto, es la permanencia del cuerpo en una misma parte de ese espacio inmovible en que se mueven el barco, su cavidad y todo cuanto contiene. De aquí que si la tierra está realmente en reposo, entonces el cuerpo, que con respecto al barco se halla en reposo relativo, se moverá real y absolutamente con la misma velocidad que el barco sobre la tierra.

Mas si la tierra también se mueve, el movimiento verdadero y absoluto del cuerpo se deberá, en parte, al movimiento verdadero de la tierra en el espacio inmovible, y, en parte, al movimiento relativo del barco sobre la tierra; y si el cuerpo se mueve también con relación al barco, su movimiento verdadero nacerá, en parte, del movimiento verdadero de la tierra en el espacio inmovible, y, en parte, de los movimientos relativos tanto del barco sobre la tierra como del cuerpo sobre el barco; y de estos movimientos relativos surgirá el movimiento relativo del cuerpo sobre la tierra. De suerte que si aquella parte de la tierra donde se halla el barco se mueve realmente hacia el Este con una velocidad de 10.010 partes, mientras que el propio barco, a toda vela y con viento muy duro, se ve impulsado hacia el Oeste con una velocidad expresada por 10 de dichas partes, y si un marinero camina sobre el barco hacia el Este con una parte de dicha velocidad, entonces el marinero se estará moviendo realmente, en el espacio inmovible, hacia el Este con una velocidad de 10.001 partes; pero relativamente, respecto a la tierra, hacia el Oeste con una velocidad de nueve de dichas partes.

Así como el orden de las partes del tiempo es inmutable, también lo es el orden de las partes del espacio. Si desplazamos dichas partes de sus lugares, habrémoslas desplazado (permítasenos la expresión) fuera de sí mismas. Pues los tiempos y los espacios son, como si dijéramos, los lugares tanto de sí mismos como de todas las demás cosas. Todas las cosas están colocadas en el tiempo según un orden de sucesión, y en el espacio según un orden de situación. Son lugares por su propia esencia o naturaleza, y sería absurdo que el lugar primario de las cosas fuese movible. Estos son, por tanto, los lugares absolutos, y los únicos movimientos absolutos son las traslaciones a partir de estos lugares.

Las partes del espacio no se pueden ver, ni distinguir una de otra por medio de nuestros sentidos, es así que en su lugar utilizamos medidas sensibles de ellas. De suerte que a partir de las posiciones y distancias desde un cuerpo cualquiera considerado como inmovible definimos todos los lugares, y luego, respecto a tales lugares, estimamos todos los movimientos, considerando los cuerpos en tanto que transferidos de uno de estos lugares a otro. Y así, en vez de lugares y movimientos absolutos, utilizamos movimientos y lugares relativos; lo cual no supone inconveniente alguno para los asuntos comunes; mas en las disquisiciones filosóficas debemos hacer abstracción de nuestros sentidos y considerar las cosas en sí mismas, distinguiéndolas de lo que únicamente son medidas sensibles de ellas. Pues pudiera ser que no exista ningún cuerpo que se halle realmente en reposo y al cual puedan referirse los lugares y movimientos de todos los demás.

Necesidad

Relatividad

La teoría se empezó a hacer necesaria cuando ciertas anomalías del universo no se podían explicar en base al mecánica Newton o física clásica. Tiene algunos antecedentes como las transformaciones de Lorenz, el hecho de que la velocidad de la luz no cambia en ningún marco de referencia, el hecho de Mercurio se desviara de la órbita prevista por Kepler y Newton sin la existencia de otro cuerpo que lo atrajese que no fuera el Sol para citar algunos.

Propuesta

La teoría fue propuesta por Albert Einstein en 1905 y recibida con aplausos de unos y escepticismo de otros. Consta de dos partes, la publicada en 1905 que se conoce como la Teoría de la Relatividad Especial o Restringida que analiza solo los marcos de referencia inerciales (puntos o marcos de observación que se mueven a una velocidad constante) y la Teoría General de la Relatividad que estudia los marcos inerciales y no inerciales (cuya velocidad cambia en el tiempo).

Ejemplos

Según las leyes del movimiento establecidas por primera vez con detalle por Isaac Newton hacia 1680-89, dos o más movimientos se suman de acuerdo con las reglas de la aritmética elemental. Supongamos que un tren pasa a nuestro lado a 20 kilómetros por hora y que un niño tira desde el tren una pelota a 20 kilómetros por hora en la dirección del movimiento del tren. Para el niño, que se mueve junto con el tren, la pelota se mueve a 20 kilómetros por hora. Pero para nosotros, el movimiento del tren y el de la pelota se suman, de modo que la pelota se moverá a la velocidad de 40 kilómetros por hora.

Como podemos ver no se puede hablar de la velocidad de la pelota a secas. Lo que cuenta es su velocidad con respecto a un observador particular. Cualquier teoría del movimiento que intente explicar la manera en que las velocidades (y fenómenos afines) parecen variar de un observador a otro sería una «teoría de la relatividad».

La teoría de la relatividad de Einstein nació del siguiente hecho: lo que funciona para pelotas tiradas desde un tren no funciona para la luz. En principio podría hacerse que la luz se propagara, o bien a favor del movimiento terrestre, o bien en contra de él. En el primer caso parecería viajar más rápido que en el segundo (de la misma manera que un avión viaja más aprisa, en relación con el suelo, cuando lleva viento de cola que cuando lo lleva de cara). Sin embargo, medidas muy cuidadosas demostraron que la velocidad de la luz nunca variaba, fuese cual fuese la naturaleza del movimiento de la fuente que emitía la luz.

Supongamos que cuando se mide la velocidad de la luz en el vacío, siempre resulta el mismo valor (unos 299.793 kilómetros por segundo), en cualesquiera circunstancias. ¿Cómo podemos disponer las leyes del universo para explicar esto? Einstein encontró que para explicar la constancia de la velocidad de la luz había que aceptar una serie de fenómenos inesperados.

Halló que los objetos tenían que acortarse en la dirección del movimiento, tanto más cuanto mayor fuese su velocidad, hasta llegar finalmente a una longitud nula en el límite de la velocidad de la luz; que la masa de los objetos en movimiento tenía que aumentar con la velocidad, hasta hacerse infinita en el límite de la velocidad de la luz; que el paso del tiempo en un objeto en movimiento era cada vez más lento a medida que aumentaba la velocidad, hasta llegar a pararse en dicho límite; que la masa era equivalente a una cierta cantidad de energía y viceversa.

Todo esto lo elaboró en 1905 en la forma de la «teoría especial de la relatividad», que se ocupaba de cuerpos con velocidad constante. En 1915 extrajo consecuencias aún más sutiles para objetos con velocidad variable, incluyendo una descripción del comportamiento de los efectos gravitatorios. Era la «teoría general de la relatividad».

Los cambios predichos por Einstein sólo son notables a grandes velocidades. Tales velocidades han sido observadas entre las partículas subatómicas, viéndose que los cambios predichos por Einstein se daban realmente, y con gran exactitud. Es más, sí la teoría de la relatividad de Einstein fuese incorrecta, los aceleradores de partículas no podrían funcionar, las bombas atómicas no explotarían y habría ciertas observaciones astronómicas imposibles de hacer.

Teoría de la Relatividad Especial

I

La velocidad de la luz es una constante, es decir no importa el marco de referencia que se utilice la velocidad de la luz no cambia. Igualmente existen otras constantes: la carga eléctrica y la fase de una onda.

II

Existe una cuarta dimensión: el tiempo, por lo tanto el universo está dentro de lo que hoy se llama un cronotopo o sea un espacio-tiempo, esto hace que exista una constante aparte de las anteriores: la distancia entre dos puntos cualquiera del universo no varia en el espacio-tiempo, para que esto ocurra entonces si dos puntos se alejan se distorsiona el tiempo y el espacio manteniendo el espacio-tiempo constante.

III

Masa y energía son equivalentes, de donde sale la ecuación E=mc2 que traduciríamos como la energía de un cuerpo (en reposo) equivale a la masa del cuerpo por la velocidad de la luz elevada a la segunda potencia.

IV

Las transformaciones de Lorentz, que eran una curiosidad matemática ya que prácticamente todos los fiscos y matemáticos las conocen pero se sabían en qué utilizarlas exactamente, fueron utilizadas por Einstein en lugar de las transformaciones de Galileo (usadas por Newton) para explicar el movimiento relativo y con ellas obtener que la masa, la longitud de un objeto y el tiempo cambian con la velocidad, explican la distorsión del espacio-tiempo en otras palabras. Como las transformaciones de Galileo son un caso particular de las transformaciones de Lorentz podríamos afirmar que la mecánica de Newton es un caso particular de la mecánica relativista (o de la teoría de la relatividad).

V

Un observador no puede distinguir si su marco de referencia está en movimiento o está estático a menos que se produzca una aceleración. Sexto: Las leyes del universo se aplican por igual en cualquier marco inercial. La Teoría General de la Relatividad: Extiende las condiciones de la relatividad especial a marcos donde hay aceleraciones (donde cambia la velocidad). En estas condiciones la primera consideración es que un marco con aceleración funciona a un sistema gravitatorio, es decir que la aceleración del marco funciona como la aceleración de la gravedad al punto que un observador no podría distinguir entre un marco gravitatorio o acelerado. Este principio tiene una aplicación limitada pues ningún objeto puede mantenerse en aceleración infinitamente.

También estas limitaciones implican ciertas verdades, por ejemplo cuando uno dice que el centro del universo es la Tierra (es decir que la Tierra no se mueve) implícitamente se admite que sí se mueve con respecto a los otros cuerpos, por tanto ningún marco de referencia está inmóvil. Después de más de 100 años de propuesta la teoría de la relatividad es la más aceptada en cuanto a explicar lo que ocurre en el universo pues existe una gran cantidad de evidencias que la confirman como la existencia de agujeros negros, la curvatura del espacio alrededor de cuerpos masivos como el Sol o los planetas y muchas otras y sin embargo ya se hace evidente también que hay que realizar algunas revisiones a la teoría que llevarán a nuevas teorías.

VI

Según la relatividad especial, cosas muy extrañas suceden cuando un objeto se mueve casi a la velocidad de la luz. El tiempo se retrasa, la longitud de un objeto disminuye y aumenta la masa del objeto en movimiento. Si dos observadores están en movimiento relativo entre ellos, pueden discrepar si dos eventos ocurren al mismo tiempo. De acuerdo a la famosa ecuación de Einstein, E= mc2, masa y energía se transforman de una a otra. Einstein introdujo la teoría especial de la relatividad en 1905.

La teoría general de la relatividad postula que la "forma" del espacio puede ser curvada cerca de objetos grandes con mucha gravedad. De hecho, de acuerdo a la relatividad, la gravedad es más una curvatura del espacio que una fuerza. Incluso los rayos de la luz se desvían cuando pasan cerca de un objeto masivo. Esta es la razón por la cual los huecos negros pueden "succionar" la luz que pasa cerca de ellos.

Postulados

  • Primer postulado:Todos los sistemas de referencia inerciales son físicamente equivalentes,o lo que es lo mismo, las leyes de la Física adoptan la misma forma en todos los sistemas de referencia inerciales.
  • Segundo postulado:La velocidad de la luz en el vacío posee siempre el valor constante c en todos los sistemas inerciales de referencia, o sea, no depende de la velocidad del movimiento de la fuente.

Explicación matemática

Explicación matemática de la teoría

Cuando la luz en tu reloj, demore por ejemplo 1seg. entre subir y bajar, tu observarás que la luz en la otra nave demorará más en recorrer esa trayectoria triangular. Cuando haces los cálculos observarás que ese tiempo se amplia en un factor gamma (que es mayor que 1) respecto a tu tiempo propio. Este factor será cada vez mayor cuanto mayor sea la velocidad de la nave.Suponiendo que v=0.8c (80% de c), el tiempo en la otra nave se incrementará en un 66%, respecto del tuyo, por lo tanto, mediras: 1.66 seg. Cuando la velocidad llegue a la velocidad de la luz, gamma será infinito.

Fuentes