Einstein y la teoría de la relatividad

Einstein creo dos teorías de la relatividad, la especial en 1905 y la general en 1915. Relacionadas pero diferentes y complementarias.

Aunque era un físico teórico, permaneció en estrecho contacto con todos físicos experimentales de la época que le interesaban. Sus teorías las argumentaba con “experimentos mentales”, imaginaba barras y relojes para medir distancias y tiempo, cuartos cerrados que se desplazaban a velocidad constante o acelerada y observadores que se ubicaban en los diferentes sistemas de referencia (cuartos cerrados).

Para su teoría especial solo necesitó dos premisas, que en cualquier sistema de referencia que se moviera a velocidad constante, se cumplían las mismas leyes de la física y la más interesante, que la velocidad de la luz es la misma independientemente de la velocidad a la que la vea cualquier observador. El ambiente científico de la época ya empujaba a estas conclusiones, pero fue el genio de Einstein el que supo encontrar los resultados más extraordinarios.

Ya anteriormente otro ilustre genio supo unificar todas las leyes de la electricidad y magnetismo en sus famosas cuatro leyes de Maxwell y a partir de ahí deducir que podían existir ondas electromagnéticas, pues se podía crear una ecuación de onda que se propagaba por el espacio. Se producían dos circunstancias interesantes, la velocidad de la onda electromagnética era la misma que la velocidad de la luz que ya se conocía y la onda electromagnética se desplazaba (a la velocidad de la luz) pero no se sabía sobre que medio ni si este medio se movía a su vez.

Empezó entonces a elucubrarse sobre la existencia de un entramado invisible, existente incluso en el vacío más absoluto y por medio del cual se desplazaba la luz, que ya se consideró que se trataba de una onda electromagnética. A este ente se le denomino “éter”. Se pensó que era el sistema de referencia absoluto y que todo se movía respecto a él. La luz se desplazaba por el éter como onda electromagnética de la misma forma que el sonido se propaga por el aire.

Unos científicos americanos, Michelson y Morley, decidieron averiguar más cosas sobre la naturaleza del éter. Como la tierra se desplaza y gira, midiendo la velocidad de un rayo de luz en diferentes direcciones (la de un meridiano y un paralelo, por ejemplo), al ser la velocidad relativa respecto al éter diferente, se medirán velocidades de la luz diferentes. Pero no, después de realizar los experimentos se pudo comprobar que todas las velocidades eran iguales, con lo que quedaba en entredicho la existencia del éter como referencia absoluta para el desplazamiento de la luz y lo que es mucho más transcendental, la luz se ve moverse a la misma velocidad siempre, sea cual sea la velocidad del observador y la velocidad del sistema de referencia desde donde se proyecta la luz. Esto tendrá unas consecuencias casi mágicas, pues nuestra intuición no nos dice eso, basta con imaginar el ejemplo clásico de la persona andando por el pasillo de un tren en movimiento, un observador en el tren lo verá moverse a una velocidad diferente a la que lo ve un observador sentado en el andén de la estación, que será la velocidad del tren mas la del andar.

Algún testimonio dice que Einstein no conocía estos experimentos cuando ya tenía avanzada su teoría y sí, realmente se habían hecho avances por otros científicos intrigados por la ecuación de ondas electromagnéticas que no parecía tener en cuenta el sistema de referencia. Fue entonces Lorentz el que introdujo unos ajustes en la ecuación para que fuera válida, tanto si estamos en un sistema inmóvil o en otro que se desplaza a una determinada velocidad. Lo que se denomina Transformación de Lorentz, que da un toque a las ecuaciones para que sirvan en todos los sistemas de referencia. A partir de estas premisas, Einstein obtuvo unas conclusiones sorprendentes, que afectaban al tiempo, al tamaño de las cosas y otras magnitudes físicas dependiendo de la velocidad a la que te mueves.

Las demostraciones físicas de la teoría de la relatividad especial o restringida no son excesivamente complicadas, es asequible y está “relativamente” al alcance de cualquiera con interés científico.

No es así con la teoría general de la relatividad que aparte de mucho interés, para descifrar sus fundamentos requiere cierto dominio del cálculo infinitesimal, algebra de tensores y otras materias. Conceptos como espacio-tiempo de Minkowski, geometrías no euclídeas, geometría de Riemman, tensor impulso-energía, tensor de Ricci, etc. son necesarios para adentrarse en la teoría.

Como en tantas otras ocasiones, supo recoger los frutos que otros habían sembrado (como dijo Newton con modestia: Si he visto más lejos es porque me he subido a hombros de gigantes). Así como se suele atribuir la inspiración de Newton a la famosa manzana que se le cayó en la cabeza, en el caso de Einstein imaginó que un hombre en caída libre no sentiría la acción de la gravedad y otro encerrado en una caja en el espacio exterior, impulsado por un motor cohete, sentiría un peso similar al que se siente en la superficie de la tierra. Es decir, se siente la masa o un peso por causas aparentemente tan diferentes como acción de la gravedad o ser impulsado por una fuerza.

Ya por aquella época, se había introducido el concepto espacio-tiempo en el que para definir un punto en el espacio, a las tres dimensiones espaciales conocidas: x, y, z, se le añadía una cuarta, el tiempo t, a la que para homogeneizar con las otras unidades de espacio se multiplicaba por c, la velocidad de la luz, una constante universal e independiente del sistema de referencia. Este nuevo vector o cuatri-vector (x,y,z,ct) fue objeto de estudio por parte de Minkowski y junto con la transformación de Lorentz, mediante notaciones vectoriales, matriciales y tensoriales, supo reconstruir toda la teoría de la relatividad especial.

Para aprender la nueva herramienta, los tensores (algo parecido a las matrices) Einstein decidió ir a las fuentes y mantuvo contacto fluido con una de las eminencias de la época en la materia: Levi-Civita. A partir de ahí y tras muchos esfuerzos y tropiezos y gracias al misterio de su genio, supo hilvanar como la geometría del espacio tiempo se veía afectada por la presencia de la energía o la masa. De esta forma, las diferentes fuerzas que se manifiestan en las proximidades de las concentraciones de masa se deben a la curvatura que estas producen en el espacio tiempo, sepultando con ello la teoría de gravitación universal de Newton, pero creando al mismo tiempo otra mucho más maravillosa y enigmática.

Millones de años de evolución del hombre, no hicieron necesario que este se hiciera muchas preguntas sobre lo que había mucho más allá de su vista, sin embargo en las últimas décadas hemos construido naves espaciales que viajan a alta velocidad y telescopios que llegan a galaxias lejanas, es entonces cuando hemos podido comprobar que nuestros sentidos no nos sirven para decirnos como está hecho el universo.