La Teoría de la relatividad

      La Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica son las piedras angulares de la Física Moderna. Muchos pensaban que se podía describir el movimiento de los cuerpos recurriendo a las ideas de Galileo y Newton sin mayores problemas. Pero la Mecánica Clásica presentaba serias dificultades a la hora de estudiar el movimiento de los cuerpos a velocidades muy grandes; hubo que modificar las ecuaciones del movimiento y de la energía para explicar una serie de hechos, tal como se evidenció experimentalmente al observar el movimiento de las partículas elementales a velocidades cercanas a la de la luz. 

      Para resolver este problema, Einstein enunció la Teoría de la Relatividad  Especial o Restringida (1905), cuyos postulados son:

1º) No existe el sistema inercial de referencia absoluto, es decir, ningún fenómeno físico puede darnos información sobre el movimiento del sistema inercial desde el que es observado (no se puede poner de manifiesto, desde el interior de un sistema inercial, el movimiento rectilíneo y uniforme de que está dotado, sólo es posible desde un sistema de referencia exterior). La velocidad de un objeto móvil depende del sistema de referencia desde el que se observe, como sucede cuando se viaja en un tren a cierta velocidad v y se lanza un objeto en la misma dirección con velocidad v´, para un observador del interior del tren el objeto lleva una velocidad v´, sin tener en cuenta que se mueve con el tren, sin embargo para un observador situado en la vía o andén, la velocidad del objeto es v+v´.

2º) La velocidad de la luz es una constante universal. Es decir, es independiente, para cada medio, del movimiento relativo de los observadores inerciales y del movimiento de las fuentes luminosas (en cada medio, la velocidad de la luz es la misma sea cual sea el sistema de referencia desde donde se emite, se observe desde donde se observe). Y además es una velocidad límite.

      Einstein apreció que el hecho de la constancia de la velocidad de la luz tenía consecuencias importantes a la hora de medir intervalos de distancias y tiempos entre dos sucesos, demostrando que estas medidas dependen del sistema de referencia del observador. Estas consecuencias o efectos relativistas son la “contracción de la longitud o del espacio” (los objetos se acortan en la dirección del movimiento tanto más cuanto mayor es su velocidad, hasta una longitud nula en el límite de la velocidad de la luz), la “dilatación del tiempo” (el paso del tiempo es cada vez más lento a medida que aumenta la velocidad de su movimiento hasta pararse en el límite de la velocidad de la luz), el “aumento de la masa” (la masa de los objetos en movimiento aumenta con la velocidad hasta hacerse infinita en el límite citado) y “la “equivalencia de la masa y la energía”. Todos estos fenómenos relativistas implican que las magnitudes citadas sean medidas desde sistemas de referencia inerciales.

      Aunque esta teoría conduce a fenómenos que chocan con el sentido común, caso de “la paradoja de los gemelos”, se pueden demostrar aplicando nuevas ecuaciones relativistas. En la teoría de la relatividad se elimina el concepto de un tiempo absoluto, cada individuo posee su propia medida personal del tiempo, según donde se halle y de cómo se mueva. Supongamos que uno de los gemelos de la citada paradoja se va a vivir a la cima de una montaña, mientras que el otro permanece al nivel del mar. El primero envejecerá más rápidamente que el segundo y si volvieran a encontrarse, sería más viejo que el otro, pero la diferencia de edad sería muy pequeña y no se observaría. Sería mucho mayor y apreciable si uno de los gemelos se fuese de viaje en una nave espacial a una velocidad cercana a la de la luz, pues al volver sería mucho más joven que el que se quedó en la Tierra. Esto es sólo una paradoja si uno tiene siempre en la cabeza la idea de un tiempo absoluto.

      En 1915, Einstein dio a conocer La Teoría de la Relatividad General, al tener en cuenta la existencia de campos gravitatorios. En realidad la Teoría General se reduce a la Teoría Especial en ausencia de campos gravitatorios y sus resultados coinciden con los de la gravedad newtoniana en campos gravitatorios débiles. La relatividad general generaliza el principio de relatividad de Einstein para un observador arbitrario y propone que la propia geometría del espacio-tiempo (en el que está situado todo lo que observamos) se ve afectada por la presencia de materia, de lo cual resulta una teoría relativista del campo gravitatorio. Predice que el espacio-tiempo no será plano en presencia de materia y que la curvatura del espacio-tiempo, debido a la presencia de masa, será percibida como un campo gravitatorio.

      De acuerdo con la Teoría de la Relatividad, el espacio-tiempo (espacio de cuatro dimensiones, tres espaciales y una cuarta temporal,  inseparablemente relacionadas en el que se desarrollan todos los eventos físicos del Universo en el que vivimos) es curvo, siendo la gravitación la manifestación de esta curvatura. El espacio-tiempo se ve afectado por todo lo que tenga masa (materia-energía) de tal forma que esta magnitud lo distorsiona y lo curva, haciendo evidente la gravedad, como ocurre con los planetas que se desplazan alrededor del Sol siguiendo las correspondientes curvas del espacio-tiempo, o como sucede en la Tierra en la que los cuerpos son atraídos gravitatoriamente. Pero, la masa de los cuerpos no solo deforma el espacio sino también el tiempo, de tal manera que cerca de un cuerpo de gran masa el tiempo transcurre más lentamente.

Curvatura del espacio-tiempo

      Los cambios que introduce Einstein sólo son notables a velocidades cercanas a la velocidad de la luz; a velocidades corrientes son tan pequeños que se pueden ignorar, en cuyo caso se pueden aplicar las leyes de Newton sin mayor problema. Tales velocidades elevadas se consiguen con las partículas subatómicas en los aceleradores de partículas (CERN), pudiéndose demostrar que los cambios predichos por Einstein se dan realmente y con gran exactitud.