Teoría de la relatividad
Definición
La teoría de la relatividad generalmente abarca dos teorías interrelacionadas de Albert Einstein: la relatividad especial y la relatividad general. La relatividad especial se aplica a las partículas elementales y sus interacciones, describiendo todos sus fenómenos físicos, excepto la gravedad. La relatividad general explica la ley de la gravitación y su relación con otras fuerzas de la naturaleza. Se aplica al reino cosmológico y astrofísico, incluida la astronomía.
La teoría transformó la física teórica y la astronomía durante el siglo XX, reemplazando una teoría mecánica de 200 años creada principalmente por Isaac Newton. Introdujo conceptos que incluyen el espacio-tiempo como una entidad unificada de espacio y tiempo, la relatividad de la simultaneidad, la dilatación del tiempo gravitacional y cinemático, y la contracción de la longitud. En el campo de la física, la relatividad mejoró la ciencia de las partículas elementales y sus interacciones fundamentales, junto con el inicio de la era nuclear. Con la relatividad, la cosmología y la astrofísica predijeron fenómenos astronómicos extraordinarios como estrellas de neutrones, agujeros negros y ondas gravitacionales.
Desarrollo y aceptación
Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad especial en 1905, basándose en muchos resultados teóricos y hallazgos empíricos obtenidos por Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré y otros. Max Planck, Hermann Minkowski y otros hicieron trabajos posteriores.
Einstein desarrolló la relatividad general entre 1907 y 1915, con contribuciones de muchos otros después de 1915. La forma final de la relatividad general se publicó en 1916.
El término "teoría de la relatividad" se basó en la expresión "teoría relativa" (alemán: Relativtheorie) utilizada en 1906 por Planck, que hizo hincapié en cómo la teoría utiliza el principio de la relatividad. En la sección de discusión del mismo artículo, Alfred Bucherer usó por primera vez la expresión "teoría de la relatividad" (en alemán: Relativitätstheorie ).
En la década de 1920, la comunidad de la física entendía y aceptaba la relatividad especial. Rápidamente se convirtió en una herramienta importante y necesaria para teóricos y experimentadores en los nuevos campos de la física atómica, la física nuclear y la mecánica cuántica.
En comparación, la relatividad general no parecía ser tan útil, más allá de hacer pequeñas correcciones a las predicciones de la teoría de la gravitación newtoniana. Parecía ofrecer poco potencial para la prueba experimental, ya que la mayoría de sus afirmaciones se basaban en una escala astronómica. Sus matemáticas parecían difíciles y totalmente comprensibles solo por un pequeño número de personas. Alrededor de 1960, la relatividad general se convirtió en el centro de la física y la astronomía. Las nuevas técnicas matemáticas para aplicar a la relatividad general simplificaron los cálculos e hicieron que sus conceptos se visualizaran más fácilmente. A medida que se descubrieron los fenómenos astronómicos, como los cuásares (1963), la radiación de fondo de microondas 3 Kelvin (1965), los púlsares (1967) y los primeros candidatos al agujero negro (1981), la teoría explicó sus atributos y la medición de ellos confirmó la teoría.
Relatividad especial
La relatividad especial es una teoría de la estructura del espacio-tiempo. Fue introducido en el artículo de 1905 de Einstein "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" (para las contribuciones de muchos otros físicos, véase Historia de la relatividad especial). La relatividad especial se basa en dos postulados que son contradictorios en la mecánica clásica:
- Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores en movimiento uniforme en relación uno con el otro (principio de la relatividad).
- La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores, independientemente de su movimiento relativo o del movimiento de la fuente de luz.
La teoría resultante enfrenta el experimento mejor que la mecánica clásica. Por ejemplo, postulate 2 explica los resultados del experimento de Michelson-Morley. Además, la teoría tiene muchas consecuencias sorprendentes y contraintuitivas. Algunos de estos son:
- Relatividad de la simultaneidad: Dos eventos, simultáneos para un observador, pueden no ser simultáneos para otro observador si los observadores están en movimiento relativo.
- Dilatación del tiempo: los relojes móviles se miden para marcar más lentamente que el reloj "estacionario" de un observador.
- Contracción de longitud: se mide que los objetos se acortan en la dirección en que se mueven con respecto al observador.
- La velocidad máxima es finita: ningún objeto físico, mensaje o línea de campo puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío.
- El efecto de Gravity solo puede viajar a través del espacio a la velocidad de la luz, no más rápido o instantáneamente.
- Equivalencia masa-energía: E = mc , la energía y la masa son equivalentes y transmutables.
- Masa relativista, idea utilizada por algunos investigadores.
La característica definitoria de la relatividad especial es la sustitución de las transformaciones galileanas de la mecánica clásica por las transformaciones de Lorentz. (Ver ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell).
Relatividad general
La relatividad general es una teoría de la gravitación desarrollada por Einstein en los años 1907-1915. El desarrollo de la relatividad general comenzó con el principio de equivalencia, bajo el cual los estados de movimiento acelerado y estar en reposo en un campo gravitatorio (por ejemplo, cuando se está sobre la superficie de la Tierra) son físicamente idénticos. El resultado de esto es que la caída libre es un movimiento inercial: un objeto en caída libre está cayendo porque así es como se mueven los objetos cuando no se ejerce ninguna fuerza sobre ellos, en lugar de ser debido a la fuerza de la gravedad como es el caso mecanica clasica. Esto es incompatible con la mecánica clásica y la relatividad especial porque en esas teorías los objetos que se mueven inercialmente no pueden acelerarse el uno con respecto al otro, pero los objetos en caída libre lo hacen. Para resolver esta dificultad, Einstein propuso por primera vez que el espacio-tiempo es curvo. En 1915, ideó las ecuaciones de campo de Einstein que relacionan la curvatura del espacio-tiempo con la masa, la energía y cualquier impulso dentro de ella.
Algunas de las consecuencias de la relatividad general son:
- Los relojes corren más lentamente en pozos gravitacionales más profundos. Esto se llama dilatación del tiempo gravitacional.
- Orbita el preces de una manera inesperada en la teoría de la gravedad de Newton. (Esto se ha observado en la órbita de Mercurio y en púlsares binarios).
- Los rayos de luz se curvan en presencia de un campo gravitacional.
- Las masas rotatorias "arrastran" el espacio-tiempo a su alrededor; un fenómeno denominado "arrastre de fotogramas".
- El universo se está expandiendo, y las partes lejanas se están alejando de nosotros más rápido que la velocidad de la luz.
Técnicamente, la relatividad general es una teoría de la gravitación cuya característica definitoria es su uso de las ecuaciones de campo de Einstein. Las soluciones de las ecuaciones de campo son tensores métricos que definen la topología del espacio-tiempo y cómo los objetos se mueven inercialmente.
Evidencia experimental
Einstein afirmó que la teoría de la relatividad pertenece a una clase de "teorías de principio". Como tal, emplea un método analítico, lo que significa que los elementos de esta teoría no se basan en hipótesis sino en el descubrimiento empírico. Al observar los procesos naturales, entendemos sus características generales, diseñamos modelos matemáticos para describir lo que observamos, y por medios analíticos deducimos las condiciones necesarias que deben cumplirse. La medición de eventos separados debe satisfacer estas condiciones y coincidir con las conclusiones de la teoría.
Pruebas de relatividad especial
La relatividad es una teoría falsable: hace predicciones que pueden ser probadas por experimento. En el caso de la relatividad especial, estos incluyen el principio de la relatividad, la constancia de la velocidad de la luz y la dilatación del tiempo. Las predicciones de la relatividad especial se han confirmado en numerosas pruebas desde que Einstein publicó su artículo en 1905, pero tres experimentos realizados entre 1881 y 1938 fueron fundamentales para su validación. Estos son el experimento de Michelson-Morley, el experimento de Kennedy-Thorndike y el experimento de Ives-Stilwell. Einstein derivó las transformaciones de Lorentz a partir de los primeros principios en 1905, pero estos tres experimentos permiten inducir las transformaciones a partir de la evidencia experimental.
Las ecuaciones de Maxwell -el fundamento del electromagnetismo clásico- describen la luz como una onda que se mueve con una velocidad característica. La visión moderna es que la luz no necesita medio de transmisión, pero Maxwell y sus contemporáneos estaban convencidos de que las ondas de luz se propagaban en un medio, análogo al sonido que se propagaba en el aire y las ondas que se propagaban en la superficie de un estanque. Este medio hipotético fue llamado éter luminífero, en reposo relativo a las "estrellas fijas" y por el cual se mueve la Tierra. La hipótesis de arrastre de éter parcial de Fresnel descartó la medición de los efectos de primer orden (v / c), y aunque las observaciones de los efectos de segundo orden (v / c) fueron posibles en principio, Maxwell pensó que eran demasiado pequeños para ser detectados con tecnología actual.
El experimento de Michelson-Morley fue diseñado para detectar los efectos de segundo orden del "viento de éter": el movimiento del éter en relación con la tierra. Michelson diseñó un instrumento llamado interferómetro Michelson para lograr esto. El aparato era más que lo suficientemente preciso como para detectar los efectos esperados, pero obtuvo un resultado nulo cuando el primer experimento se realizó en 1881 y nuevamente en 1887. Aunque no detectar un viento de éter fue una decepción, los resultados fueron aceptados por la comunidad científica. En un intento de salvar el paradigma del éter, FitzGerald y Lorentz crearon de manera independiente un ad hoc hipótesis en la cual la longitud de los cuerpos materiales cambia según su movimiento a través del éter. Este fue el origen de la contracción FitzGerald-Lorentz, y su hipótesis no tenía ninguna base teórica. La interpretación del resultado nulo del experimento de Michelson-Morley es que el tiempo de viaje de ida y vuelta para la luz es isotrópico (independiente de la dirección), pero el resultado por sí solo no es suficiente para descartar la teoría del éter o validar las predicciones de especial relatividad.
Mientras que el experimento de Michelson-Morley demostró que la velocidad de la luz es isotrópica, no dijo nada acerca de cómo la magnitud de la velocidad cambió (si es que lo hizo) en diferentes marcos inerciales. El experimento Kennedy-Thorndike fue diseñado para hacer eso, y se realizó por primera vez en 1932 por Roy Kennedy y Edward Thorndike. Obtuvieron un resultado nulo y concluyeron que "no hay ningún efecto ... a menos que la velocidad del sistema solar en el espacio no sea más que la mitad de la de la Tierra en su órbita". Se pensó que esa posibilidad era demasiado fortuita para proporcionar una explicación aceptable, por lo que a partir del resultado nulo de su experimento, se concluyó que el tiempo de ida y vuelta para la luz es el mismo en todos los marcos de referencia inerciales.
El experimento Ives-Stilwell fue llevado a cabo por Herbert Ives y GR Stilwell por primera vez en 1938 y con mayor precisión en 1941. Fue diseñado para probar el efecto Doppler transversal - el desplazamiento al rojo de la luz desde una fuente móvil en una dirección perpendicular a su velocidad que había sido predicho por Einstein en 1905. La estrategia consistía en comparar los cambios Doppler observados con lo predicho por la teoría clásica, y buscar una corrección del factor de Lorentz. Se observó tal corrección, de la cual se concluyó que la frecuencia de un reloj atómico en movimiento se altera de acuerdo con la relatividad especial.
Esos experimentos clásicos se han repetido muchas veces con mayor precisión. Otros experimentos incluyen, por ejemplo, energía relativista e incremento de momento a altas velocidades, pruebas experimentales de dilatación del tiempo y búsquedas modernas de violaciones de Lorentz.
Pruebas de relatividad general
La relatividad general también se ha confirmado muchas veces, los experimentos clásicos son la precesión del perihelio de la órbita de Mercurio, la desviación de la luz por el Sol y el desplazamiento hacia el rojo gravitatorio de la luz. Otras pruebas confirmaron el principio de equivalencia y el arrastre de cuadros.
Aplicaciones modernas
Lejos de ser simplemente de interés teórico, los efectos relativistas son importantes preocupaciones prácticas de ingeniería. La medición basada en satélites debe tener en cuenta los efectos relativistas, ya que cada satélite está en movimiento en relación con un usuario de la Tierra y, por lo tanto, se encuentra en un marco de referencia diferente según la teoría de la relatividad. Los sistemas de posicionamiento global como GPS, GLONASS y el próximo Galileo, deben dar cuenta de todos los efectos relativistas, como las consecuencias del campo gravitacional de la Tierra, para trabajar con precisión. Este es también el caso en la medición del tiempo de alta precisión. Los instrumentos que van desde los microscopios electrónicos a los aceleradores de partículas no funcionarían si se omitieran las consideraciones relativistas.