INTRODUCCIÓN
Con la denominación Teoría de la Relatividad se agrupan dos vertientes de investigación en ciencias físicas, realizadas por el físico Albert Einstein. La primera Teoría: Relatividad Especial, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias. La segunda Teoría: De La Relatividad General publicada en 1915, reemplaza a la teoría de gravedad de Newton aproximándose a ella en campos gravitatorios débiles. Las ecuaciones de Newton presuponían que las del espacio y el tiempo eran magnitudes absolutas, que toman como base las leyes de Kepler obtenidas de las observaciones astronómicas de Tycho Brahe. Albert Einstein consideró que el espacio y el tiempo son propiedades de la materia y en modo alguno entes absolutos en los que se presupone inmersa ésta.
PRINCIPIOS GENERALESDos observadores que se mueven relativamente uno al lado del otro a velocidad cuasi-lumínica, obtendrán diferentes medidas, tiempo y espacio para describir los mismos sucesos. Es decir, la percepción del espacio-tiempo depende del movimiento del observador y de los puntos referenciales dentro de un marco que el observador haya establecido. Con independencia, las leyes físicas actúan para los dos observadores por igual (invariancia einsteniana).
TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIALEl concepto de relatividad ya existía y se conocía como relatividad de Galileo y es por donde vamos a empezar a explicar esta teoría. Aparentemente puede parecer complicada, es simple si se comprende la raíz de los conceptos por la cual se desarrolla. Vamos a ello: Un observador está parado en el andén de la Estación de Atocha de Madrid, en ese momento pasa el AVE dirección Sevilla a una velocidad respecto al observador de 60 Km/h. Los pasajeros que se encuentran en sus butacas (dentro del AVE) se mueven a 0 Km/h, es decir, se hallan detenidos respecto al tren.
Supongamos ahora que un viajero se levanta de su asiento del AVE y empieza a caminar a 10 km/h respecto a los observadores que están sentados en sus butacas, puesto que el conjunto AVE-pasajero pertenecen al mismo sistema de referencia inercial (todos los observadores que se mueven entre sí a velocidad relativa constante se denominan inerciales) el pasajero que se ha levantado de su butaca forma otro sistema de referencia inercial respecto al primero (en el andén).
Supongamos que el viajero que se ha levantado de su butaca va en sentido Sevilla, la velocidad de éste respecto al primer observador que está en el andén parado será de 60 km/h del tren +10 km/h del viajero= 70 km/h, puesto que viajero y AVE se desplazan en el mismo sentido. Supongamos también que se levanta de su butaca otro pasajero y se desplaza dentro del tren a 15 km/h sentido Madrid. Ahora la velocidad respecto al primer observador (el que está en el andén) es de 60-15=45 km/h porque tiene sentido contrario al sentido del tren. Ahora bien, la velocidad de distanciamiento de un viajero respecto al otro de los que se desplazan dentro del AVE será de 10+15= 25 km/h. Por otro lado, si el pasajero que se desplaza dirección Madrid lanza una pelota a 50 km/h dirección Sevilla, la velocidad de la pelota es de 60+50-15=95 km/h respecto al primer observador en reposo. La relatividad de Galileo sólo consiste en sumar o restar velocidades vectoriales según sea el sentido de las mismas.
Conclusión: Cada observador, dentro de su marco tiene su propio y único sistema de referencia.
Pero imaginemos que la ESA lanza una nave tripulada para comprobar la existencia de agua helada en la Luna y desde ella los astronautas percibirán el movimiento de rotación de la Tierra sobre su eje con una velocidad de rotación de una revolución por día. También tenemos Nasa 1 que se encuentra en las inmediaciones del Sol con su tripulación a bordo estudiando las corrientes convectivas de plasma. Ellos percibirán que el sistema Tierra tiene una velocidad de rotación sobre su eje de una revolución/día y otro de traslación respecto al Sol con una velocidad de una revolución cada 365 periodos “días terrestres” realizando un ciclo completo sobre su órbita. También percibirán el sistema Luna con un periodo de traslación de 28 días aproximadamente para completar un ciclo sobre su órbita respecto al sistema Tierra.
Todos estos últimos sistemas son ejemplos de sistemas no inerciales, puesto que en ellos tenemos movimientos de rotación alrededor de un eje o de traslación alrededor de un punto central, que hacen aparecer fuerzas de inercia como las centrífugas. En estos sistemas no inerciales la Relatividad Especial no es exacta, por ello Einstein introdujo la Relatividad General.
UN PASO MÁS ADELANTE EN LA FÍSICASir Isaac Newton, nacido en 1643 en Inglaterra en el seno de una familia de campesinos puritanos, estudiante universitario mediocre por su afición a la formación autodidacta fue el primer científico en demostrar que las leyes naturales que gobiernan el movimiento en la Tierra y las que gobiernan el movimiento de los cuerpos celestes son las mismas. Es en este campo donde vamos a tratar de dar una explicación a sus principales conceptos, leyes y el sistema referencial newtoniano.
Él dedujo: que la masa es la cantidad de materia de un cuerpo, es una magnitud escalar que no debe confundirse con el peso, que es una magnitud vectorial, aunque ambas son proporcionales a la cantidad de masa.
El concepto de masa surge de dos leyes: la ley de gravitación, es la fuerza de atracción entre dos cuerpos la cual es proporcional a dos constantes, denominadas constante gravitatoria y masa gravitacional, siendo ésta la propiedad de la materia según la cual dos cuerpos se atraen. Y de la 2ª ley de Newton: la fuerza aplicada sobre un cuerpo es directamente proporcional a la aceleración que experimenta, denominándose masa inercial de un cuerpo la constante de proporcionalidad de esta ley. Para Newton inercia y peso eran propiedades de la materia independientes directamente proporcionales a la cantidad de materia, a la cual denominó masa. Siendo una constante de un cuerpo.
Masa gravitacional: Tiene explicación en la 2ª ley y en la ley de gravitación universal de Newton. La fuerza con la que se atraen dos cuerpos relativamente distantes es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Masa inercial: Tiene explicación en la 2ª y 3ª ley de Newton. Los cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrolla en la dirección de ésta. Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza de igual intensidad y dirección, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo (3ª ley principio de acción y reacción). La 3ª ley es original de Newton, puesto que la 1ª y 2ª ya habían sido propuestas de otra forma por Galileo, Hooke y Huygens.
En la práctica Albert Einstein, demostró que la masa gravitatoria y la masa inercial son indistinguibles, esto fue un dato esencial para la teorización de la relatividad y un punto de partida para comprender mejor el carácter de la naturaleza estableciendo que las cualidades de un cuerpo se manifiestan, de acuerdo con las circunstancias, como inercia o como peso. Por lo que enunció el principio de equivalencia: Las leyes de la naturaleza deben expresarse de modo que sea imposible distinguir entre un campo gravitatorio uniforme y un sistema referencial acelerado.
ALBERT EINSTEIN ENTRA EN JUEGOJoven alemán, estudiante avanzado de ciencias físicas en Zurich, que después de su trabajo en la oficina de patentes, reformuló toda la física clásica de Newton conocida en ese momento. Explicó claramente lo que pasa con la luz y la materia, que se desplaza a velocidades cercanas a la luz. Para ello, elaboró la teoría de la Relatividad Especial, también llamada Teoría de la Relatividad Restringida, que describe el movimiento en el marco del espacio-tiempo plano.
Este concepto, tiene su raíz en la geometría euclidiana que estudia las propiedades del plano y el espacio tridimensional, que es el percibido como el espacio natural en el que nos encontramos. La presentación de esta geometría se hace en un marco axiomático a partir de postulados que se presuponen verdaderos. Es decir, entre otros, el de que la suma de los ángulos de un triángulo dan como resultado 180 grados.
Si miramos a nuestro alrededor nos encontramos con tres dimensiones formadas por el ancho, largo y alto o derecha e izquierda, adelante y atrás, arriba y abajo. Ahora bien, imaginemos un espacio bidimensional, en el cual no podríamos experimentar la tercera dimensión. Nuestro mundo se reduciría a la ambigüedad de derecha e izquierda, adelante y atrás, por lo que seríamos lo más parecido a una figura con movimiento dibujado en un papel, no percibiendo ningún espacio curvo, ni geometría no euclidiana. De este modo, las tres dimensiones parecen ser las mínimas exigibles para el desarrollo de la vida.
El concepto de espacio-tiempo introducido en la teoría de relatividad general supuso una revolución de creencias sobre el universo hasta ese momento establecido, Einstein había comprendido que el tiempo y el espacio son propiedades de la materia estrechamente relacionados el uno con el otro. Es decir, sin la materia el espacio-tiempo sería un concepto sin contenido. Aun así, el tiempo es algo intangible, relativo, que el ser humano ha cuantificado para medir la duración de los fenómenos que a su alrededor se producen, tomando como referencia la posición del Sol en el horizonte respecto al movimiento de rotación y de traslación de la Tierra.
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