Marco histórico de la Teoría Especial de la relatividad

A finales del siglo XIX existía entre la comunidad científica la idea de que el soporte teórico para explicar los fenómenos de la naturaleza estaba consolidado. Solamente había que ir puliéndolo y dándole forma para explicar todo lo que fuese apareciendo en el panorama de la física.

Este soporte estaba basado en la Mecánica clásica de Newton y en la teoría del electromagnetismo de Maxwell. Por otra parte, desde Galileo se tenía constancia del tema de la relatividad del movimiento y se sabía que cada objeto tiene un sistema de referencia propio.

(Cuando los sistemas de referencia se mueven con velocidad constante uno de otro, se denominan sistemas inerciales y son de vital importancia en la Teoría Especial de la Relatividad).

Pero los científicos estaban empeñados en encontrar un sistema de referencia absoluto (que no estuviese en movimiento y que sirviese de referencia al resto), puesto que toda la mecánica clásica se basaba en este tipo de sistemas de referencia.

A finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX, los científicos estaban atareados buscando el medio a través del cual se propagaba la luz. Al igual que el sonido se propaga por el aire, había que buscar ese medio para la luz.

Surgió la propuesta del Éter como medio que estaba por todo el Universo ocupando todos los huecos (fluido imponderable y elástico en el que se propagaban las ondas luminosas). Además de explicar el desplazamiento de la luz, si se encontrase, el Éter podía ser ese sistema de referencia absoluto que tanto se buscaba. Con respecto al Éter había dos grandes propuestas: que se desplazaba en conjunto con la Tierra o que la Tierra se desplazaba con respecto al Éter.

Dos grandes científicos Michelson y Morley idearon un experimento para medir el desplazamiento de la Tierra con respecto al Éter.

Básicamente el experimento consistía en emitir un rayo de luz en un sentido, por ejemplo, en dirección al movimiento de la tierra, y otro en sentido contrario, de tal manera que en un sentido la velocidad de la tierra se sume a la de la luz y para el otro caso se reste (ten en cuenta que seguían las ideas de relatividad establecidas por Galileo, según éstas, el primer rayo es más veloz que el segundo). Esos haces de luz, luego de recorrer una misma distancia, se hacen reflejar en unos espejos para que retornen al punto de partida. Como un rayo es más rápido que otro, y deben recorrer la misma distancia, entonces llegarán al punto de partida con un retardo de tiempo, pues uno demorará más que otro en recorrer ese mismo espacio.

fig 1. El esquema básico del experimento de Michelson-Morley.

f es el foco de luz.

El haz de luz al llegar a a que es un espejo semitransparente se refleja hasta b y d.

fig 2. En el experimento de Michelson-Morley había 16 espejos.

El que hubiesen tantos espejos era para dar tiempo

a que la diferencia en la llegada de los haces hasta el lugar de recogida (patrón de interferencia)

fuese fácilmente mensurable.

fig 3. El resultado esperado era éste.

Una diferencia en el tiempo de llegada

de las franjas de los haces de luz cuyo camino tenía el mismo sentido que el de traslación

de la Tierra y el de las que iban en contra originarían un desplazamiento en el sitio de recepción

(este sitio era un aparato ideado por Michelson-Morley llamado interferómetro)

Ésto concordaba con la idea de relatividad de Galileo en el que las velocidades

se sumaban si iban en el mismo sentido y se restaban si iban en sentidos contrarios.

fig 4. Así estaba diseñado el aparato para el experimento de Michelson-Morley.

En la piedra de encima estaba montado el sistema emisor de luz y los 16 espejos,

así como el sistema encargado de recoger los haces que volvían (interferómetro de Michelson-Morley)

El experimento se hizo de diversas formas, perfeccionando los métodos de medición del sistema. Se efectuaron distintas mediciones durantes varios años. Nunca se pudo medir una diferencia, los haces siempre llegaban al mismo tiempo, la velocidad de la tierra no les influenciaba para nada. (Es decir no existía el esperado desplazamiento en la recogida de los haces que llegaban al interferómetro).

La conclusión era clara: no se demostraba la existencia del Éter (quedaba la duda de en qué se apoyaba la luz para desplazarse), además en el experimento la relatividad de Galileo se venía abajo. Se dio por supuesto para no romper con todo lo conocido que el Éter se desplazaba junto con la Tierra.

Aparte de este experimento, Einstein estudió la relación entre dos sistemas de referencia moviéndose uno con respecto al otro con velocidad uniforme (sistemas inerciales) y pudo comprobar que para partículas que se mueven a altas velocidades no se cumplían las llamadas transformaciones de Galileo que relacionaban las coordenadas y el tiempo entre dos sistemas de referencia (en verdad, en las transformaciones de Galileo, uno de los sistemas está en reposo y el otro se mueve con velocidad constante con respecto al primero). Ésto ya fue descubierto por Lorentz para el movimiento de los electrones y el resultado de las nuevas transformaciones se conoce como transformaciones de Lorentz (aunque fue Einstein el que generalizó el resultado obtenido por Lorentz y lo englobó en el cuerpo de la Teoría Especial de la Relatividad, dando sentido a los resultados encontrados por el propio Lorentz).

Ver transformaciones de Galileo y Lorentz en Calcumat

En este panorama es cuando surge la Teoría Especial de la relatividad desarrollada por Albert Einstein y publicada por primera vez en 1.905 (Einstein, que era estudiante de ciencias físicas, la desarrolló en sus ratos libres de trabajo en una oficina de patentes).

Constituye para mi un gran placer tener el privilegio de hablar en la capital del país en el que han surgido las más importantes nociones fundamentales de física teórica. Me refiero a la teoría de los movimientos de masas y a la gravitación, estudiadas por Newton, y al concepto de campo electromagnético, que sirviera a Faraday y a Maxwell para situar la física sobre una nueva base. La teoría de la relatividad, bien puede decirse, ha puesto algo así como un toque final al importante edificio intelectual construido por Maxwell y Lorentz, intentando extender la teoría de campos a todos los fenómenos, incluido el de la gravitación.

Sobre el tema especifico de esta charla, la teoría de la relatividad, quiero recalcar que esta teoría no tiene un origen especulativo, sino que debe por entero su nacimiento al deseo de hacer que la teoría física concuerde en la mayor medida posible con los hechos observados. No tenemos en ella un acto revolucionario, sino la continuación natural de una línea que puede trazarse a través de varios siglos. El abandono de ciertos conceptos de espacio, tiempo y movimiento, hasta el presente considerados como fundamentales, no ha de considerarse arbitrario, porque ha sido condicionado por hechos observados.

La ley de la constancia de la velocidad de la luz en el vacío, que ha sido confirmada por el desarrollo de la electrodinámica y la óptica, y la equivalencia de todos los sistemas inerciales (principio de la relatividad restringida), que ha sido demostrada por el famoso experimento de Michelson , han hecho necesario, en primer lugar, que el concepto de tiempo se convierta en relativo, toda vez que a cada sistema inercial se le adjudica su propio tiempo especial. En la medida en que esta noción se ha desarrollado, ha quedado patente que la conexión entre experiencia inmediata, por una parte, y coordenadas y tiempo, por la otra, no ha sido pensada hasta el momento presente con la precisión suficiente.

Dicho de modo general, uno de los rasgos esenciales de la teoría de la relatividad es el esfuerzo que en ella se hace para descubrir las relaciones entre los conceptos generales y los hechos empíricos de una manera más precisa. El principio fundamental, en este caso, es que la justificación de un concepto físico estriba exclusivamente en su clara y precisa relación con hechos que pueden ser experimentados. De acuerdo con la teoría de la relatividad restringida, las coordenadas espaciales y el tiempo aún conservan un carácter absoluto, en tanto cuanto son medibles por relojes estáticos y cuerpos rígidos. Pero son relativos en la medida en que dependen del estado de movimiento del sistema inercial seleccionado. Según la teoría de la relatividad restringida, el continuo cuatridimensional formado por la unión del espacio y del tiempo retiene el carácter absoluto que, de acuerdo con la anterior teoría, pertenecía al espacio y al tiempo de manera separada. La influencia del movimiento, relativo al sistema de coordenadas, en la forma de los cuerpos y en la marcha de los relojes, así como la equivalencia de la energía y la masa inerte, surge de la interpretación de las coordenadas y el tiempo como productos de una medición.

* Conferencia en el King's College, Londres, 1921.