LA TEORIA DE LA RELATIVIDAD - Einstein

Para muchos, el siglo XX es considerado como el siglo de la física y de las dos teorías que renovaron esa ciencia, la teoría cuántica y la teoría de la relatividad.
La primera resulta del esfuerzo colectivo de numerosos investigadores, mientras que la segunda es atribuída casi exclusivamente la obra de un solo hombre: Albert Einstein.
A lo largo de la historia de la ciencia, desde el Renacimiento, sólo tres hombres habían conseguido igual mérito; que se les atribuyera la elaboración de una teoría científica revolucionaria: el astrónomo Copérnico, el físico Newton, y el biólogo Darwin.
Popularizar ésta idea representó para el hombre común que toda una teoría salió de una sola cabeza. En realidad una teoría nueva se basa en otras anteriores, que prepara el terreno para el surgimiento de la nueva teoría que, por lo general, viene a resolver o clarificar un problema que los científicos denominan "anomalía".
En 1666 mientras una plaga azotaba Cambridge, Isaac Newton se recluyó en la granja de su madre para evitar el contagio. Dedicado al estudio desarrolló su Teoría de la Gravitación Universal. Durante siglos los historiadores llamaron a 1666 Annus Mirabilis (año milagroso). Y nuevamente se ha llamado a 1905 de igual modo ya que en ese año Albert Einstein publicara cinco famosos trabajos, apenas recibido su doctorado en física. Esto también contribuyó a la creencia de que ha existido un "algo inexplicable" o "milagroso" que ha dado origen a tan importante creación. Sin embargo veremos que existen otros trabajos científicos que dieron origen o brindaron apoyo a la nueva teoría, veremos que una teoría no surge "de repente".
Hay otro mito que quisiera comentar hoy. Se trata de la respuesta a la pregunta ¿ por qué un científico puede adelantarse a otros ?. En el caso de la Teoría de la relatividad, como en tantos otros casos, físicos como Max Planck, de más notoriedad y experiencia que Einstein se estaban acercando a la respuesta, pero Einstein la obtuvo primero. ¿Por qué? Hay varios intentos de respuestas.
Para algunos es una cuestión de autoridad. Muchos autores sostienen que los científicos que elaboran nuevas teorías son jóvenes, porque no están comprometidos con trabajos propios anteriores o con sus maestros. Einstein, de niño, demostraba su curiosidad cuestionando todo lo que aprendía : "Su sola presencia socava el respeto de la clase hacia mi", le riñó su profesor de séptimo grado, el Dr. Joseph Degenhart, el mismo que predijo que Einstein "no llegaría a nada en la vida". También es cierto que en 1905 Einstein al recibir su Doctorado en Física no estaba en deuda con ningún director de tesis ni con ninguna otra figura de autoridad". Consecuentemente, era libre para discurrir.
Creo, en este sentido, que un investigador siempre debe seguir sus propias intuiciones y ser leal a la autoridad de ellas y no a la autoridad del dinero o la autoridad que brinda la antigüedad.
Otros autores piensan que existió cierta predisposición, que fue favorecido por el medio ambiente en el que creció. Dice Peter Galison, físico e historiador de la ciencia de la universidad de Harvard. "A pesar de que los cinco artículos de Einstein fueron publicados en un solo año, estuvo pensando sobre física desde su infancia. La ciencia era el tema de conversación a la hora de la cena en la casa de Einstein" ... "su padre y su tío dirigían una compañía de artefactos eléctricos donde se desarrollaba la tecnología de vanguardia de principios del siglo XX" Pero si así no hubiese sido, creo que también Einstein hubiese sido quien fue.
Un querido profesor nos enseñaba sobre la historia contando la siguiente anécdota: "como en casa siempre se hablaban de temas importantes y en la sala había una gran biblioteca, por eso estudié filosofía" hacía una pausa y continuaba "como en casa sólo se hablaba de fútbol y nadie jamás leía ni el diario, por eso estudié filosofía" cuando veía nuestra cara de perplejidad continuaba "la historia se escribe desde el presente, por eso no es pasado, es historia, es un relato acomodado al tiempo en que se lo cuenta. Napoleón demostraba sus dotes de general, dicen los historiadores, comandando a sus compañeros de juegos infantiles mientras jugaban a los soldados. Todos de niños hemos jugado a los soldados y no somos Napoleones".
Espero haberlos convencido que el medio ambiente no es un factor decisivo.ç

Y no falta quienes aseguran que Einstein era extraterrestre, o que tenía un cerebro especial, o que teniendo un cerebro común usaba el 90% de su capacidad mientras el hombre común usa solamente el 10%.
Por supuesto que los biógrafos se ríen de semejantes afirmaciones. Hasta hubo quien se robó el cerebro de Einstein para estudiarlo (el Dr. Thomas Harvey) y por supuesto nada particular encontró. Todas estas afirmaciones fantásticas no son más que otro modo de expresar la convicción de que hubo "algo inexplicable", "milagroso", como dijimos antes. Lo único destacable en Einstein es la inquebrantable voluntad de trabajo y estudio a la que unió, gracias a su trabajo en la Oficina de Patentes de Berna, el rigor del método.

Antecedentes
En las ciencias encontramos varias clases de teorías. La mayor parte de ellas son teorías constructivas que intentan organizar los fenómenos a partir de observaciones relativamente simples que sirven de punto de partida y de las cuales se deducen consecuencias, éstas teorías se construyen por vía de hipótesis y estos juicios se llaman sintéticos. Por ejemplo calentamos un metal y vemos que se dilata, repetimos la operación con otro metal y también éste se dilata, probamos varios metales, pero no todos, sin embargo podemos predecir que cuando calentemos un metal se dilatará y entonces estamos en condiciones de elaborar una teoría expresada por la siguiente máxima "todos los metales se dilatan con el calor" .
Junto con esta clase de teorías principales, existe un segundo tipo al que llamaremos teorías de principios. En éstas se emplea el método analítico, no el sintético. Estas teorías se descubren empíricamente o son formuladas por las matemáticas.
La teoría de la relatividad pertenece a esta segunda clase. “La teoría de la relatividad se basa en suposiciones compatibles con la experimentación. A partir de estas suposiciones deducimos, y las matemáticas constituyen la herramienta por medio de la cual realizamos las deducciones” dice Infeld ( Leopold Infeld, Einstein Su obra e influencia en nuestro mundo, Ed. Lautaro, Bs.As. 1961, p.14)

Ahora es necesario que echemos un vistazo a las teorías que, según dijimos, sirvieron de base para elaborar la Teoría de la Relatividad.

La Física a fines del siglo XIX y principios del XX
Desde los tiempos de Newton, los físicos habían intentado comprender la naturaleza de la materia y la radiación. Había dos hipótesis, una que sostenía que las leyes mecánicas eran fundamentales y que se denominó visión mecánica del mundo (atribuída a Newton). Otra que sostenía que eran las leyes eléctricas las fundamentales y que recibió el nombre de visión electromagnética del mundo o teoría del campo (atribuída a Maxwell)
Estas dos teorías han llegado a introducirse en nuestro lenguaje cotidiano, lo que demuestra su aceptación por el público en general. Así decimos que la Tierra giran en torno al Sol (partículas y fuerza-teoría mecanicista) o que las ondas de TV llegan a nuestro receptor (perteneciente a la teoría del campo o electromagnética).
La teoría mecanica
Una de las características de la física mecánica es su necesidad de adjudicar una existencia independiente y real al espacio y al tiempo tanto como a la materia.
Si miramos el concepto de espacio como un hueco que se puede dar dentro del fondo y lados de una caja y que éste, a su vez, lo podemos llenar con cosas, entonces es lógico que consideremos a este espacio como limitado. Pero ¿y si nos sobran cosas para guardar? podemos conseguir una caja más grande y así sucesivamente, se nos mostrará, finalmente, como ilimitado.
El mismo Newton y los más críticos de sus contemporáneos consideraban un tanto embarazoso tener que atribuir una realidad física tanto al espacio como al tiempo, pero por entonces no existía otra alternativa.
Pero el espacio sólo cobra importancia cuando hablamos del movimiento. Un objeto se mueve con referencia a otro que permanece inmóvil.
Teoría del campo
En 1895 Guglielmo Marconi inventó la telegrafía sin hilos. Los científicos comprendieron que las ondas se movían en la atmósfera tal como las ondas que produce una piedra al ser arrojada al agua. A esta cualidad del medio se la denominó "campo" y fue elaborada por Faraday
Pero de inmediato surgió la pregunta ¿en qué medio se mueven los objetos en el vacío del espacio?
La respuesta de la teoría mecanicista fue "se mueven en el éter".
Hasta aquí la respuesta parecía satisfactoria. Pero, además de los cuerpos celestes otra cosa se movía en ese espacio ocupado por el éter, la luz

La naturaleza de la luz
Galileo Galilei (1564-1642) ya se había dado cuenta de que la luz se propaga en línea recta y además, de que si su velocidad es finita debería ser muy grande.
En 1675 el danés Olaf Roemer, al observar los eclipses de las lunas del planeta Júpiter hizo la primera medición de la velocidad de la luz: 299.792 km./s
En 1666 Newton observó que un haz luminoso al atravesar un prisma se separaban los componentes (refracción ) supuso que la luz estaba compuesta de corpúsculos minúsculos que se movían con cierta velocidad. Así pudo explicar la reflexión, simplemente como un rebote de las pequeñísimas partículas al chocar con una superficie que separa a dos medios.
Además, usando la hipótesis corpuscular de la luz, pudo dar argumentos que explicaban por qué la luz cambia su dirección, (reflexion)
A principios del siglo XIX el físico inglés Thomas Young (1773-1829) investigó muchos fenómenos (difracción, polarización, dispersión) que no tenían explicación con la teoría corpuscular y concluyó que se podían explicar suponiendo que la luz estaba formada de ondas.
Ésta teoría fue muy atacada y no se les hizo caso durante más de una década.
Fueron retomadas en Francia por Augustin Fresnel (1788-1827), quien mejoró la concepción ondulatoria de la luz.
Hacia los años de 1830, la hipótesis de Newton sobre la naturaleza corpuscular de la luz ya había sido prácticamente abandonada en favor de la ondulatoria.
En 1873, el gran físico británico, James Maxwell publicó sus investigaciones sobre electricidad y magnetismo en donde presentó una gran síntesis de resultados experimentales obtenidos con anterioridad por científicos como H. C. Oersted, A. M. Ampere, M. Faraday, etcétera, e hizo ver que la luz es una onda electromagnética.
Dos norteamericanos llamados Michelson y Morley hacen un experimento en el que determinan que la velocidad de la luz es constante.
Este experimento contradice una teoría llamada "transformación de Galileo" o teoría de la relatividad restringida.

La Teoría de la relatividad especial
Einstein discernió a través de ingeniosos experimentos de pensamiento
Parte de dos postulados - principio de la relatividad restringida (Galileo) y la velocidad constante de la luz (Michelson-Morley) - que aparecen como una contradicción.
Galileo había observado que si una persona escribe una carta en un barco y es observada por otra persona que está quieta en el puerto, la persona del puerto no podrá descubrir qué escribe el otro ya que sólo verá un movimiento ondulante y las letras jamás cerrarán.
Einstein tomó este experimento de pensamiento y lo describió con una persona en un tren y un observador en el andén. Para el pasajero un objeto caería en línea recta pero para el observador lo haría en línea curva. La explicación matemática se fundaba en la suma de velocidades. Esto aseguraba la aplicación de las leyes naturales a dos sistemas.
Pero Michelson y Morley demostraron que la velocidad de la luz no cambiaba aún cuando la fuente emisora se moviese en un sentido (+V) o en otro (-V) lo cual contradice la teoría de la suma de las velocidades.
La explicación de Einstein
Consideró primero la situación de un observador en reposo, con las ondas de luz pasando junto a él.
El observador vería como un esquema regular compuesto de crestas y valles (longitudes de onda) moviéndose a través del espacio.
Si ese mismo observador tuviese que acelerar para poder alcanzar la velocidad que lleva la luz, presumiblemente el esquema de ondas desaparecería.
Sin embargo, como lo vimos en el ensayo que citamos, las ecuaciones de Maxwell requerían que las ondas electromagnéticas mantuvieran su naturaleza ondulatoria, no importaba cuál fuera el comportamiento del observador.
Así, o había un error matemático en las ecuaciones, o le sería imposible a un observador alcanzar, alguna vez, a poderse mover a la velocidad de la luz.
Pero la teoría de Maxwell se estribaba al funcionar eficientemente en todas sus aplicaciones a la vida real, y la física clásica no contenía impedimentos teóricos para poder moverse a la velocidad de la luz, y más que ello aún.
Einstein sólo aceptó lo inevitable. Mantuvo la teoría de la relatividad de Galileo y el veredicto de la experimentación (velocidad de la luz) con lo cual no contradijo a la mecánica sino sólo en altas velocidades (por ejemplo la de los electrones) para o cual creó una nueva mecánica: la relativista especial.

La nueva mecánica
En la mecánica de Newton el espacio y el tiempo desempeñan un doble papel.
En primer lugar, desempeñan las funciones de portador o de marco de las cosas que ocurren en física, con respecto a la cual los fenómenos son descritos mediante las coordenadas de espacio y tiempo.
El segundo papel del espacio y del tiempo es el de constituir un «sistema inercial».
Según el pricipio de relatividad de Galileo (restringido) las leyes de la mecánica son aplicables tanto a un sistema como a otro en movimiento uniforme relativo al original.
Aquí lo esencial es que la «realidad física», era considerada independiente de los sujetos que la experimentan.
Dentro de la estructura de la física clásica, el concepto de campo aparece como un concepto auxiliar en casos en los que la materia era tratada como un continuo (por ejemplo las ondas en el agua o las ondas de sonido en el aire).
Según el desarrollo histórico del concepto de campo, donde no había materia tampoco podía existir campo.

El concepto objetivo de tiempo
Para describir el sentido que le dio Einstein al concepto de objetivo de tiempo, he considerado pertinente extraer sus propias ideas al respecto, de un artículo que escribió para The London Time, el 28 de noviembre de 1919.
Las ciencias que se articulan para estudiar la conducta humana, han concluido que el concepto de tiempo a escala humana está indudablemente asociado a la memoria, así como a la diferencia entre experiencias sensoriales y su posterior recuerdo. Se transforma en objetivo cuando puedo atribuir a otros sujetos mi misma experiencia, por ejemplo “llueve”.
Con el fin de llegar a la idea de un mundo objetivo, todavía necesitamos de un concepto constructivo adicional: el suceso está localizado no sólo en el tiempo sino también en el espacio.
Einstein se pregunta ¿cuál es el significado de simultáneo? Respuesta: “Todos nuestros juicios en los cuales el tiempo desempeña un papel, son juicios acerca de acontecimientos simultáneos.” (por ejemplo: el tren llega a las siete: simultaneidad entre la llegada el tren y las manecillas de mi reloj) pero las dificultades aparecen cuando comparamos el tiempo en dos sistemas en relaciones con la velocidad de la luz (en el sistema en movimiento la luz alcanzará los extremos en forma simultánea pero para el observador en tierra no, luego el tiempo es relativo y cae así la concepción absoluta del tiempo mecanicista).

El término matemático que fundamenta la teoría de la relatividad especial
Sin definirlo rigurosamente nos referiremos a la Transformación de Lorentz (Hendrik Lorentz-holandés ). Como señalamos antes para un móvil en relación con un observador en reposo a velocidades bajas se puede establecer un sistema de coordenadas tridimensionales mas uno temporal que es idéntico en ambos casos ya que el tiempo es absoluto. Pero cuando se trata de dos sistemas que se distancian a la velocidad de la luz, la transformación de Galileo ya no es útil y se explica mejor por la transformación de Lorentz, porque el tiempo es relativo.

La estructura tetradimensional
De esta manera un fenómeno es localizado por cuatro números, tres coordenadas espaciales y una coordenada temporal; de modo que se considera a la totalidad de los «sucesos» físicos inmersa en una variedad continua de cuatro dimensiones.
La estructura tetradimensional (espacio de Minkowski) es considerada portadora de la materia y del campo.
En razón de que en esta estructura tetradimensional ya no existen, secciones que representen el «ahora» en forma objetiva, los conceptos de ocurrencia y de devenir no están por completo en suspenso, pero resultan complicados.
Al aceptar que la velocidad de la luz es constante, aceptamos de una manera implícita que el centímetro y el segundo, medidas de espacio y tiempo, no pueden ser magnitudes constantes. La única manera de mantener las relaciones que observamos en el universo es a través de una variación interrelativa: si en centímetro se acorta, la otra dimensión amarrada a él, el segundo, debe alargarse.

Relatividad general

La Teoría general se inició en 1911 con “La influencia de la gravitación sobre la propagación de la Luz” y concluyó en 1916 con el trabajo titulado “ Fundamentos de la Teoría general de la Relatividad” ambos publicados en Anales de Física.
En noviembre de 1915 Einstein presentó una serie de conferencias en la Academia de Ciencias de Prusia en las que describió la teoría de la relatividad general. La última de estas charlas concluyó con la presentación de la ecuación que reemplaza a la ley de gravedad de Newton.
Newton entendió la gravitación como una acción a distancia entre dos cuerpos.
Recordemos que Einstein en su toría de la relatividad especial había abolido el concepto de simultaneidad absoluta por lo tanto no podía hablar de "acción entre dos cuerpos" por lo que debió abandonar la toría mecanicista y laborar una nueva teoría de campo.
Para ello se basó en ecuacions de Pierre Simon Laplace, de Denis Poisson (1781 - 1840), contó con la ayuda de su gran amigo Marcel Grossmann, hechó mano de los métodos matemáticos del cálculo diferencial absoluto de Ricc y Levi-Civita y d una toría construída por Riemann(el tensor de curvatura). Abandonó la geometría euclídea y llegó a la conclusión que la presencia de una masa deforma el espaciotiempo a su alrededor; las trayectorias posibles de un rayo de luz ya no serán líneas rectas, serán geodésicas, esto es, la trayectoria más corta entre dos puntos sobre una esfera.

El punto de partida es similar al anterior, se tratan de dos sistemas pero ahora en lugar de moverse en forma uniforme lo hacen de manera acelerada.
Así si un ascensor cae los objetos en él no caerán al piso porque caen uniformemente con el ascensor. Pero en una calesita saldrán despedidos alejándose del centro, es decir que en la Tierra a aveces el sistema es válido y a veces no, por ejemplo porqué no salimos despedidos ? La dificultad estriba en que tenemos entonces dos sistemas.
Empezó con un experimento de pensamiento. Imaginó "un cajón espacioso parecido a una habitación" que se encontraba a la deriva por el espacio moviéndose a velocidades constantes, lejos de cualquier estrella o planeta. El contenido del cajón, incluido un observador, era ingrávido, todo en él flotaba libremente; no había ni arriba ni abajo, ni techo ni suelo. Ahora, si a un lado del cajón se le aplicara una fuerza constante, éste aceleraría uniformemente, y una de las paredes empezaría a apretar contra su contenido. Para el observador dentro del cajón, esta pared se convertiría en suelo. La fuerza de aceleración podía ajustarse de modo que el observador sintiera un empuje hacia abajo idéntico al que puede sentir cualquiera en la superficie de la Tierra. El observador en el cajón no tendría, de hecho, ninguna forma de saber si el empuje era producto de efectos gravitatorios o propiamente tal de la aceleración. En este desarrollo teórico Einstein introduce la idea de que gravedad y aceleración son equivalentes.
Volvamos a la idea del ascensor. Si por dos agujeros en las paredes del ascensor se hace pasar un rayo de luz, para el sistema inercial se desplazará en línea recta, pero para el observador influenciado por el campo gravitacional la luz se curvará dentro del ascensor.
El campo gravitatorio es el que caracteriza la geometría de nuestro mundo (como un plano de goma estirado) Geometría ( geodésica) y gravitación se convierten en sinónimos.

Lo más sorprendente, lo más revolucionario, conceptualmente, de la de la relatividad de Einstein, es que la masa, por su sola presencia, condiciona la estructura geométrica del espacio y el ritmo del tiempo.
Por este camino se llega a la conservación del conjunto masa-energía, a la relación llamada piedra filosofal. La hermosa fórmula es:
E=m c2

Este mismo resultado se encuentra también en el caminar de los relojes. Ello fue lo que llevó a Einstein a percibir la necesidad de contar con una nueva generalización, aún, de la teoría del espacio y el tiempo, porque la interpretación directa de las coordenadas espaciales y temporales a través de mediciones obtenidas mediante reglas y relojes se desbarata. Esta generalización de la métrica, que con anterioridad al avenimiento de la relatividad ya había sido realizada en la esfera de las matemáticas puras gracias a las investigaciones de Karl Friedrich Gauss y de Georg Friedrich Bernhard Riemann,

Es posible también distinguir en la obra de Einstein para su teoría de la relatividad general, una segunda fuente de origen. Ernst Mach, que no tuvo éxito en eliminar el espacio absoluto.
La teoría de la relatividad general puede resolver con naturalidad de modo satisfactorio este problema sólo si se asume el tipo de mundo espacialmente cerrado

Confirmaciones:
Hasta el año 1999 no se han encontrado datos en contradicción con esta teoría.
La mayoría de las predicciones se han podido comprobar y se pueden resumir así
Predicción: La luz se devía al pasar por el Sol.
Confirmación experimental: Fenómeno observado por Arthur Eddington en el eclipse solar del 29 de mayo de 1919
Predicción: Precesión de la órbita de Mercurio
Confirmación experimental: Confirmado en 1916 por el astrónomo Schwarzschild.
Predicción: Cambio en la rapidez con la que fluye el tiempo en un campo gravitacional Confirmación experimental: Medido experimentalmente por J. C. Hafele y R. Keating en 1971.
Predicción: Ondas gravitacionales.
Confirmación experimental: Evidencia indirecta por observaciones del sistema binario PSR 1913 realizadas por Hulse y Taylor en 1975
Predicción: Agujeros Negros.
Confirmación experimental: Varias observaciones de núcleos galácticos activos
Predicción: Efecto de lente gravitacional
Confirmación experimental: Observado a diario con potentes telescopios
Predicción: Equivalencia entre masa gravitacional y masa inercial
Confirmación experimental: Comprobado por Roll, Krotkov y Dicke en 1964
Predicción: Corrimiento espectral 'hacia el rojo' de la luz en un campo gravitacional
Confirmación experimental: Medido por Pound y Rebka en 1960