Teoría de la Relatividad para Aficionados
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[editar] Introducción
Como indica el título de este wikilibro, las siguientes líneas intentarán explicar en forma simple y didáctica la teoría de la relatividad de Einstein, sin abordar a las ecuaciones. Se empezará con una descripción de la relatividad galileana, que es más fácil de entender, ya que se observa en la vida cotidiana. Luego los motivos que llevaron a la formulación de la t.r.e. y de las personas que trataron de dar una explicación. Se dará un pantallazo de las teorías alternativas a ésta y luego la explicación de lleno de la Teoría de la Relatividad Especial y la Teoría de la Relatividad General.
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[editar] La relatividad Galileana
Supongamos que alguien viaja en un tren y mide la velocidad del espacio en donde se encuentra. En un instante dado está en un lugar. Pasado un tiempo está en el mismo. Su posición no ha cambiado, por lo tanto su velocidad es nula. Sin embargo si la velocidad del asiento o de las personas se miden fuera, desde la estación, se advertiría que se acercarían a la misma. Tienen una cierta velocidad. Dos observadores miden distintas velocidades del mismo objeto al mismo tiempo: La velocidad es relativa; depende del observador. Galileo Galilei investigó acerca de esto y por eso a los sistemas en los que las velocidades de las componentes permanecen constantes se los llama inerciales o galileanos. Sin embargo hay un movimiento absoluto: el acelerado. Puesto que un cuerpo experimenta una fuerza si y sólo si es acelerado, pero no si otros cuerpos se aceleran respecto a uno.
[editar] Maxwell y sus ecuaciones
En el siglo XIX, James Maxwell introdujo un conjunto de ecuaciones que relacionaban dos fuerzas que se consideraban independientes una de otra: la electricidad y el magnetismo. Según aquéllas, un campo magnético se origina de un campo eléctrico variante en el tiempo, y este último de uno magnético, también variante. Mas aún, descubrió que ambos campos se desplazan en el espacio en forma de ondas, aunque su comprobación experimental tuvo lugar años más tarde en manos de Hertz. Lo curioso es que según aquellas fórmulas la velocidad de las ondas era exactamente la misma que la que se había descubierto para la luz. Maxwell propuso que la luz era una onda electromagnética y unificó la óptica con el electromagnetismo. Lo que llama la atención de las ecuaciones de Maxwell es que, según éstas, la velocidad de las ondas es independiente del observador y de la velocidad del foco emisor. Además, al igual que cualquier onda, éstas deberían tener algún tipo de soporte, así como para el sonido: si no hay un medio material, como por ejemplo el aire, no hay transmisión del sonido. Para solucionar este problema surgió la teoría de que en el universo hay una sustancia sutil e imperceptible que sirve de apoyo para las ondas electromagnéticas: el éter.
[editar] La nadadora y el río
Entonces, hay una gran cuestión: ¿Como demostrar la existencia del éter, si es "sutil e imperceptible"?.
Para probar experimentalmente su existencia, Albert Abraham Michelson y su ayudante Morley tuvieron una ocurrencia similar a ésta: si la Tierra se desplaza en el éter, entonces la velocidad de la luz dependerá de la dirección. Para explicar esto, tomemos la siguiente analogía: una nadadora como la onda electromagnética y un río como el éter. No es muy difícil notar que si la dama nada en el sentido de la corriente del río, logrará mayor velocidad que si lo hace en contra. Así pues, con la ayuda de un interferómetro, aparato formado por un conjunto de espejos dispuestos de una forma especial, y una base giratoria, Michelson y Morley intentaron demostrar que en ciertas direcciones la luz se desplaza más o menos rápidamente que en otras. Esto se advertiría por medio de franjas de interferencia que nunca aparecieron.
[editar] La explicación de Lorentz
Hendrik Antoon Lorentz dio una explicación muy ad-hoc: el espacio y el tiempo se contraían o dilataban en dirección al movimiento, según la velocidad de este. Presentó las ecuaciones, conocidas ahora como transformación de Lorentz, pero no encontró ninguna interpretación física para las mismas.
[editar] El joven que "no llegaría a nada"
Albert Einstein finalmente encontró una solución al problema de la velocidad de la luz: el tiempo y el espacio son relativos al observador.
[editar] Unas primeras nociones sobre la naturaleza esperada del Espacio y el Tiempo
(Se añadirá cuando sea posible futuras ampliaciones y precisiones matemáticas).
Los objetos, como las personas, que formamos parte de la realidad, del espacio que cotidianamente conocemos, tenemos cierto tamaño, cierto volumen. Así que cualquier objeto que encontremos en el espacio en que cotidianamente desenvolvemos nuestra vida, podemos describirlo como un conjunto de puntos de ese espacio. Nosotros mismos somos, descriptivamente, conjuntos de puntos de nuestro espacio de vida cotidiano.
Por otro lado, nuestro espacio de vida cotidiano se dice que es de 3 dimensiones. Esta convención matemática todavía no está muy bien fundada, pero ser un espacio de 3 dimensiones básicamente significa que, tomado un punto inicial fijo de referencia cualquiera del espacio, cualesquiera otros puntos, por ejemplo, los que forman y describen nuestros cuerpos, podrían ser expresados a base de obtener sólo 3 mediciones con alguna regla o metro, respecto al punto de referencia, mediciones tales como alto, ancho y fondo.
Uno de los más importantes y novedosos aspectos que nos aportó, o más bien terminó de asentar, la teoría de la relatividad, es cambiar este último concepto, de manera que, en nuestro espacio, en el espacio donde nosotros existimos, en realidad no sólo tienen importancia 3 dimensiones o mediciones, sino 4: la cuarta dimensión es el tiempo. Para entender este aspecto, tenemos que imaginar un ejemplo un tanto extraño.
Como hemos dicho, siempre nos ha parecido que las personas y los objetos existimos dentro de un espacio tridimensional, es decir, formando parte de este espacio tridimensional como puntos situados en él, de manera que toda la figura o silueta de nuestros cuerpos se podría expresar a base de coordenadas o mediciones tridimensionales, o ternarias. Pero supongamos en este momento que no fuese así. Supongamos en este momento que las personas y los objetos hoy mismo perteneciésemos sólo a un espacio de 2 dimensiones, no de 3 dimensiones. ¿Qué implicaría esto? esto implicaría: primero, un espacio de 2 dimensiones se presenta como una superficie delgada y extensa, tal como un plano, o un papel. Este es el ejemplo matemático típico. En realidad, cualquier superficie delgada y extensa, tipo hoja de papel, aunque tuviese abolladuras o se curvara en algún sitio, seguiría siendo un espacio de 2 dimensiones, simplemente por lo siguiente: si se tomara un punto de referencia fijo perteneciente a este espacio de 2 dimensiones, y a partir de él se tomaran mediciones en 2 direcciones distintas, precisamente en 2 direcciones, por ejemplo, norte-sur y este-oeste, entonces, cualquier punto o cualquier punto perteneciente a cualquier objeto o cuerpo integrado en este espacio bidimensional, podría ser descrito en cuanto a su posición o distancia respecto al punto de referencia. Así que si perteneciésemos en realidad sólo a un espacio de 2 dimensiones, nosotros podríamos describirnos como conjuntos de puntos pertenecientes a este espacio de 2 dimensiones, de manera análoga a como, en nuestra realidad cotidiana, podemos describirnos como conjuntos de puntos de nuestro espacio de 3 dimensiones porque sabemos que, fuera de nuestro ejemplo, en verdad pertenecemos a un espacio de 3 dimensiones, no de 2. En otras palabras, y segundo, si nuestra existencia fuese propia de un espacio de 2 dimensiones (no de un espacio de 3 dimensiones como realmente es), entonces no seríamos seres voluminosos, sino que seríamos seres "planos y extensos", muy delgados o finos, y como ocupando alguna región o trozo sólo del espacio de 2 dimensiones. Es más: en la práctica, fuera del ejemplo, creemos estar realmente en un espacio de 3 dimensiones, y esto es lo que ven nuestros ojos (pero a pesar de eso, diferenciamos muy bien donde queda el pasado, el presente y el futuro), así que nuestros ojos no nos dicen nada de la existencia de una 4ª dimensión (pero si la podemos razonar -el tiempo- y en cierta manera cuantificarla -con el reloj-). Por lo cual, si volvemos al ejemplo e imaginamos que fuéramos seres propios de un espacio de 2 dimensiones, entonces, además de que seríamos planos y finos, nuestros ojos no detectarían para nada ninguna 3ª dimensión. No viviríamos incómodos en el espacio de 2 dimensiones, no nos daríamos cuenta.
Teniendo definido experimentalmente este espacio de existencia de 2 dimensiones, y como se ha dicho, este espacio quizá esté plegado, o tenga abolladuras, o rugosidades o curvaturas (lugares donde el tiempo se dilata o se contare al medirse), pero eso no le convertiría en un espacio de 3 dimensiones, porque todas las cosas dentro de él se podrían seguir expresando a base de medidas norte-sur y este-oeste, como ocurre por ejemplo en la superficie de nuestro planeta, que es curvada, no recta. Si estos pliegues o curvaturas existiesen en nuestro espacio bi-dimensional y nosotros fuésemos sólo seres de este espacio, entonces, si algún día paseásemos pasando justo a través de alguna de estas abolladuras o pliegues, no nos daríamos ni cuenta de ello, porque nuestros ojos sólo nos informarían de la existencia de 2 dimensiones, mientras que cualesquiera abolladuras o altibajos en el espacio de 2 dimensiones necesitarían producirse en virtud de alguna tercera dimensión.
Se dice técnicamente que un espacio de 2 dimensiones puede estar curvado respecto a una 3ª dimensión, o con otras palabras, si un espacio de 2 dimensiones está "flotando" dentro de un espacio de 3 dimensiones, entonces puede tener abolladuras y curvaturas. Esto se generaliza para todos los espacios posibles. Por ejemplo, un espacio de una sóla dimensión (una línea recta) puede ser curvo si se dibuja dentro de un espacio de 2 dimensiones (un plano o un papel). Un espacio de 2 dimensiones, tal como la hoja de papel, puede sufrir pliegues si se tiene dentro de un espacio de 3 dimensiones, por ejemplo una habitación, y etcétera. Es decir, un espacio de n dimensiones, puede sufrir curvaturas respecto a una n+1 dimensión adicional.
La sugerencia importante de Einstein fue que, del mismo modo que en el ejemplo del espacio 2-dimensional podría existir alguna curvatura o abolladura respecto a una 3ª dimensión, aunque los seres del espacio 2-dimensional no percibirían cambios porque sus ojos sólo verían las 2 dimensiones pero no cambios de alti-bajos, así, en realidad, nuestro espacio real y cotidiano de 3 dimensiones está sufriendo curvaturas respecto a una 4ª dimensión, y esta 4ª dimensión es el tiempo.
Nosotros existimos en un espacio 3-dimensional, así que nuestros ojos sólo detectan directamente la posibilidad de 3 dimensiones descriptivas, pero no detectan ninguna 4ª dimensión. Ahora bien, en realidad, nuestro espacio tridimensional tiene curvaturas y altibajos respecto al tiempo, sin que nosotros lo sepamos ni podamos advertirlo. De manera que "no todos los puntos de nuestro cuerpo están en el mismo instante de tiempo".
¿Es todo esto verdad? Sirvió para explicar perfectamente el experimento de Michelson-Morley. Es más, esta insinuación de Einstein y su poder de explicación preocupó tanto a los físicos, que algunos incluso empezaron a querer pensar que, en realidad, no sólo existe una 4ª dimensión añadida a las tres que conocemos, sino que pueden existir infinitas dimensiones más ("Teoría de Cuerdas").
Esta revelación de Einstein nos ha conducido todavía a un buen número de planteamientos. Desde luego, uno de estos planteamientos ha sido el de los viajes en el tiempo, que todavía hoy se están discutiendo.
Einstein ofreció ideas acerca de la naturaleza física de nuestro espacio-tiempo, cada una de las cuales conducía a revelarnos explicaciones cada vez más sorprendentes sobre nuestro Universo. Por ejemplo, la mayor o menor masa de los cuerpos, sería una de las causas de que el espacio tri-dimensional "se abollara" respecto al tiempo. El sol tiene mucha masa, y por tanto causa una gran abolladura espacio-temporal a su alrededor. El planeta tierra, cuando se traslada en las proximidades del sol, no tiene más remedio que moverse a través de dicha abolladura. Esto explicaría que la tierra se mantenga dando círculos alrededor del sol, sin escaparse hacia el espacio exterior. Sin necesidad de concebirse una fuerza gravitatoria más o menos inmaterial, que actúe "caprichosa y mágicamente a distancia".
Ahora bien, lo anterior es un tanto complejo de entender, pero creo que la mejor concepcion del universo viene de verlo como un conjunto de ondas parecidas a la famosa piedra "que se arroja a un lago" por ejemplo considera lo siguiente:
En una habitacion amplia de digamos 10 m. enciendes una pequeña luz, y esta la ilumina toda, cuanta energia o masa debe tener la luz para que llene este volumen?, en realidad es poca, pero lo que pasa es que es como si hubiera esa linea de fichas de domino, que una vez que tiras una esta tira la siguiente y asi, imagina al universo como un conjunto de ondas infinitas que al encender la luz, se asemeja a un rasgueo de guitarra que hace que la onda se propague. mas adelante agregare algunas de mis teorias.
