Antes del nacimiento de la teoría de la relatividad se pensaba que la luz, al ser una onda, necesitaba un medio para propagarse, y a ese medio se le conocía como éter. Además, la teoría que describía los fenómenos luminosos parecía tomar distinta forma si se consideraban observadores que se movían a una cierta velocidad con respecto al éter. En 1887, los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley realizaron un experimento para medir la velocidad de movimiento de la Tierra con respecto al éter. El resultado indicó que la luz se propagaba a la misma velocidad en todas las direcciones sobre la superficie terrestre, lo que ponía en entredicho la propia existencia del éter. Este experimento desconcertó a la comunidad científica hasta que, en 1905, Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad Especial que se basa en dos postulados sobre la invariancia de las leyes físicas, es decir, sobre cómo la naturaleza se describe de forma similar independientemente de quien la observe.
En 1905, Albert Einstein desarrolló un postulado que implica que la forma en que se describe la naturaleza no depende del estado de movimiento del observador, lo que llevó a una nueva comprensión del espacio y el tiempo
Antes del nacimiento de la teoría de la relatividad se pensaba que la luz, al ser una onda, necesitaba un medio para propagarse, y a ese medio se le conocía como éter. Además, la teoría que describía los fenómenos luminosos parecía tomar distinta forma si se consideraban observadores que se movían a una cierta velocidad con respecto al éter. En 1887, los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley realizaron un experimento para medir la velocidad de movimiento de la Tierra con respecto al éter. El resultado indicó que la luz se propagaba a la misma velocidad en todas las direcciones sobre la superficie terrestre, lo que ponía en entredicho la propia existencia del éter. Este experimento desconcertó a la comunidad científica hasta que, en 1905, Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad Especial que se basa en dos postulados sobre la invariancia de las leyes físicas, es decir, sobre cómo la naturaleza se describe de forma similar independientemente de quien la observe.
El primer postulado o principio de relatividad establece que las leyes de la física (sin incluir de momento la gravitación) son las mismas vistas por observadores inerciales, es decir, observadores que se mueven a velocidad relativa constante. Aunque la validez de las leyes de Newton para distintos observadores de este tipo era conocida, si la luz necesitara de un medio para propagarse, este ́éter podría considerarse como un sistema de referencia absoluto y los fenómenos luminosos podrían permitir averiguar la velocidad de propagación de una observadora inercial con respecto al éter.
Al reflexionar sobre que el éter había pasado a ser innecesario, Einstein concluyó que las leyes del electromagnetismo (que describen la luz) también deben ser válidas para todas las observadoras. Por otra parte, el segundo postulado establece que la velocidad de propagación de la luz en el vacío es la misma medida por cualquier observador inercial. Esto implica que es imposible que un observador inercial viaje a esa velocidad. Si una nave viajase a la velocidad de la luz con respecto a otro observador y emitiese un pulso de luz con un láser en la dirección de su movimiento, ese observador vería que la nave y la luz permanecen en el mismo sitio, al moverse a la misma velocidad, pero desde la nave verían que la luz se aleja de ella, lo que es una contradicción.
La combinación de estos postulados lleva a concluir algunos resultados anti-intuitivos. Dos eventos que son simultáneos para una observadora no lo son para otra en movimiento con respecto a ella porque el tiempo que transcurre entre eventos se dilata visto por un observador en movimiento con respecto a otro para el que tienen lugar en el mismo sitio, mientras que la longitud de los objetos se contrae visto por una observadora en movimiento con respecto al objeto. Obviamente estos efectos son despreciables cuando las velocidades implicadas son mucho menores que la de la propagación de luz, pero cambian radicalmente nuestra forma de entender el espacio y el tiempo. Aunque los intervalos espaciales y temporales puedan tener un valor diferente dependiendo de quién los mida, se puede definir un intervalo espacio-temporal que es el mismo para todas las observadoras. La física tiene lugar en el espacio-tiempo que definimos a través de estos intervalos y esto tiene implicaciones profundas.
Pero ¿toda la física tiene lugar en el espacio-tiempo? La teoría de la relatividad especial no era compatible con la descripción newtoniana de la gravedad. El gran salto conceptual de la Teoría de la Relatividad General, formulada por Einstein en 1915, consiste en comprender que la gravedad no es un fenómeno mediado por otra fuerza más contenida en el espacio-tiempo, sino que es debida precisamente a la curvatura del espacio-tiempo producida por las masas que este contiene. El espacio-tiempo es promovido de una estructura inerte en la que sucede la física a una cantidad física en sí misma.
Los principios en los que se basa la Teoría de la Relatividad General son el principio general de covariancia y el principio de equivalencia. El primero generaliza el principio de relatividad, ya que considera la equivalencia de las leyes de la física para todos los observadores y en presencia de gravedad. El principio de equivalencia se introdujo ya en física newtoniana y establece la equivalencia de la masa inercial, que mide cómo un objeto se resiste a un cambio en su movimiento, y la masa gravitacional, que describe cómo un cuerpo siente el campo gravitatorio. Esta relación es una consecuencia de la universalidad de la caída libre, es decir, de que todos los cuerpos se aceleren igual en presencia de gravedad y ausencia de otras fuerzas.
Sin embargo, Einstein fue más allá al reflexionar sobre que la física en un laboratorio uniformemente acelerado en ausencia de gravedad debería ser la misma que la física en otro laboratorio inmerso en un campo gravitatorio uniforme. Siguiendo esta reflexión se pueden tratar de entender los fenómenos gravitatorios en términos de las cantidades que se usan para describir el movimiento en el espacio, lo que sugiere la comprensión de la gravedad como un fenómeno de naturaleza geométrica.
El principio de equivalencia en el marco relativista tiene varias formulaciones. El conocido como principio de equivalencia de Einstein establece que los fenómenos físicos no gravitatorios (y con efectos despreciables sobre el espacio-tiempo) no se ven afectados, en una pequeña región del espacio y en cualquier punto de este, por la presencia de un campo gravitatorio.
Esto implica que en cualquier punto del espacio y en cualquier momento, en una región lo suficientemente pequeña, se puede recuperar la descripción de la naturaleza dada por la relatividad especial. Así, la Teoría de la Relatividad General generaliza la Teoría de la Relatividad Especial en presencia de gravedad.
Prado Martín Moruno es doctora en Física, investigadora y profesora contratada doctora del Departamento de Física Teórica de la Universidad Complutense de Madrid.
Coordinación y redacción: Victoria Toro.
Pregunta enviada por José Ortega Carrascal.
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