Déjame darte una pequeña historia de la teoría especial y general de la relatividad y puedes decidir por tu cuenta.
Hacia finales del siglo XIX, los científicos creían que estaban cerca de una descripción completa del universo. Se imaginaban que el espacio estaba lleno en todas partes por un medio continuo llamado éter. Los rayos de luz y las señales de radio eran ondas en este éter al igual que el sonido es ondas de presión en el aire. Todo lo que se necesitaba para completar la teoría eran mediciones cuidadosas de las propiedades elásticas del éter; una vez que los hubieran clavado, todo lo demás caería en su lugar.
Pronto, sin embargo, comenzaron a aparecer discrepancias con la idea de un éter omnipresente. Es de esperar que la luz viaje a una velocidad fija a través del éter. Entonces, si viajaba en la misma dirección que la luz, esperaría que su velocidad pareciera ser más baja, y si viajara en la dirección opuesta a la luz, su velocidad parecería ser más alta. Sin embargo, una serie de experimentos no pudo encontrar ninguna evidencia de diferencias en la velocidad debido al movimiento a través del éter.
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El más cuidadoso y preciso de estos experimentos fue realizado por Albert Michelson y Edward Morley en el Case Institute en Cleveland, Ohio, en 1887. Compararon la velocidad de la luz en dos haces en ángulo recto entre sí. A medida que la tierra gira sobre su eje y orbita alrededor del sol, razonaron, se moverá a través del éter, y la velocidad de la luz en estos dos haces debería divergir. Pero Michelson y Morley no encontraron diferencias diarias o anuales entre los dos haces de luz. Era como si la luz siempre viajara a la misma velocidad con respecto a usted, sin importar cómo se estuviera moviendo.
El físico irlandés George FitzGerald y el físico holandés Hendrik Lorentz fueron los primeros en sugerir que los cuerpos que se movían a través del éter se contraerían y que los relojes se ralentizarían. Esta reducción y desaceleración sería tal que todos medirían la misma velocidad para la luz sin importar cómo se movieran con respecto al éter, que FitzGerald y Lorentz consideraban como una sustancia real.
Pero fue un joven empleado llamado Albert Einstein, que trabajaba en la Oficina de Patentes de Suiza en Berna, quien atravesó el éter y resolvió el problema de la velocidad de la luz de una vez por todas. En junio de 1905, escribió uno de los tres documentos que lo establecerían como uno de los científicos más importantes del mundo, y en el proceso comenzaría dos revoluciones conceptuales que cambiaron nuestra comprensión del tiempo, el espacio y la realidad.
En ese artículo de 1905, Einstein señaló que debido a que no podía detectar si se estaba moviendo o no a través del éter, toda la noción de éter era redundante. En cambio, Einstein comenzó desde el postulado de que las leyes de la ciencia deberían ser iguales para todos los observadores que se mueven libremente. En particular, todos los observadores deben medir la misma velocidad para la luz, sin importar cómo se estén moviendo.
Esto requirió abandonar la idea de que existe una cantidad universal llamada tiempo que miden todos los relojes. En cambio, todos tendrían su propio tiempo personal. Los relojes de dos personas estarían de acuerdo si estuvieran en reposo uno con respecto al otro, pero no si se estuvieran moviendo. Esto ha sido confirmado por una serie de experimentos, incluido uno en el que un reloj extremadamente preciso voló alrededor del mundo y luego se comparó con uno que se había quedado en su lugar. Si quisieras vivir más tiempo, podrías seguir volando hacia el este para que la velocidad del avión se agregue a la rotación de la Tierra. Sin embargo, la pequeña fracción de segundo que ganaste sería más que compensada al comer comidas de aerolíneas.
El postulado de Einstein de que las leyes de la naturaleza deberían ser iguales para todos los observadores que se mueven libremente fue el fundamento de la teoría de la relatividad, llamada así porque implica que solo el movimiento relativo es importante. Su belleza y simplicidad fueron convincentes para muchos científicos y filósofos. Pero quedaba mucha oposición. Einstein había derrocado a dos de los Absolutos (con una A mayúscula) de la ciencia del siglo XIX: el Descanso absoluto como lo representa el éter y el Tiempo absoluto o universal que medirían todos los relojes. ¿Esto implicaba, la gente preguntaba, que no había estándares morales absolutos, que todo era relativo?
Esta inquietud continuó durante las décadas de 1920 y 1930. Cuando Einstein fue galardonado con el Premio Nobel en 1921, la cita fue importante, pero según los estándares de Einstein comparativamente menores, también se llevó a cabo en 1905. No se mencionó la relatividad, que se consideró demasiado controvertida. Todavía recibo dos o tres cartas a la semana que me dicen que Einstein estaba equivocado. Sin embargo, la teoría de la relatividad ahora es completamente aceptada por la comunidad científica, y sus predicciones se han verificado en innumerables aplicaciones.
Una consecuencia muy importante de la relatividad es la relación entre masa y energía. El postulado de Einstein de que la velocidad de la luz debería ser la misma para todos implicaba que nada podría moverse más rápido que la luz. Lo que sucede es que a medida que la energía se usa para acelerar una partícula o una nave espacial, la masa del objeto aumenta, lo que hace que sea más difícil acelerar. Acelerar la partícula a la velocidad de la luz es imposible porque tomaría una cantidad infinita de energía. La equivalencia de masa y energía se resume en la famosa ecuación E = mc2 de Einstein, probablemente la única ecuación física que tiene reconocimiento en la calle.
Una de las consecuencias de esta ley es que si el núcleo de un átomo de uranio se fisiona (se divide) en dos núcleos con una masa total ligeramente menor, se libera una enorme cantidad de energía. En 1939, cuando se avecinaba la Segunda Guerra Mundial, un grupo de científicos que se dieron cuenta de las implicaciones de esto persuadió a Einstein para superar sus escrúpulos pacifistas y escribir una carta al presidente Roosevelt instando a los Estados Unidos a comenzar un programa de investigación nuclear. Esto llevó al Proyecto Manhattan y a la bomba atómica que explotó sobre Hiroshima en 1945. Algunas personas culpan a Einstein de la bomba atómica porque descubrió la relación entre masa y energía. Pero eso es como culpar a Newton por la gravedad que hace que los aviones se estrellen. Einstein no participó en el Proyecto Manhattan y quedó horrorizado por la explosión.
Aunque la teoría de la relatividad se ajustaba bien a las leyes que rigen la electricidad y el magnetismo, no era compatible con la ley de gravedad de Newton. Esta ley decía que si cambiaba la distribución de la materia en una región del espacio, el cambio en el campo gravitacional se sentiría instantáneamente en cualquier otra parte del universo. Esto no solo significaría que podría enviar señales más rápido que la luz (algo que estaba prohibido por la relatividad), sino que también requirió el Tiempo Absoluto o Universal que la relatividad había abolido en favor del tiempo personal o relativista.
Einstein fue consciente de esta dificultad en 1907, mientras todavía estaba en la oficina de patentes en Berna, pero no comenzó a pensar seriamente sobre el problema hasta que estuvo en la Universidad Alemana de Praga en 1911. Se dio cuenta de que había un cierre relación entre aceleración y un campo gravitacional. Alguien en una caja cerrada no puede decir si está sentado en reposo en el campo gravitacional de la Tierra o si está siendo acelerado por un cohete en el espacio libre. (Siendo esto antes de la edad de Star Trek, Einstein pensó en personas en ascensores en lugar de naves espaciales. Pero no se puede acelerar o caer libremente muy lejos en un ascensor antes de que ocurra un desastre).
Si la tierra fuera plana, se podría decir igualmente que la manzana cayó sobre la cabeza de Newton debido a la gravedad o que la cabeza de Newton golpeó la manzana porque él y la superficie de la tierra se estaban acelerando hacia arriba. Sin embargo, esta equivalencia entre aceleración y gravedad no parecía funcionar para una tierra redonda; las personas del otro lado del mundo tendrían que estar acelerando en la dirección opuesta pero manteniéndose a una distancia constante de nosotros.
A su regreso a Zurich en 1912, Einstein tuvo una lluvia de ideas. Se dio cuenta de que la equivalencia de la gravedad y la aceleración podría funcionar si hubiera algún intercambio en la geometría de la realidad. ¿Qué pasaría si el espacio-tiempo, una entidad que Einstein inventó para incorporar las tres dimensiones familiares del espacio con una cuarta dimensión, el tiempo, fuera curvo y no plano, como se suponía? Su idea era que la masa y la energía deformarían el espacio-tiempo de alguna manera aún por determinar. Los objetos como manzanas o planetas intentarían moverse en línea recta a través del espacio-tiempo, pero sus caminos parecerían doblados por un campo gravitacional porque el espacio-tiempo es curvo.
Con la ayuda de su amigo Marcel Grossmann, Einstein estudió la teoría de espacios y superficies curvas que había desarrollado Bernhard Riemann como una pieza de matemática abstracta, sin pensar que sería relevante para el mundo real. En 1913, Einstein y Grossmann escribieron un artículo en el que plantearon la idea de que lo que consideramos como fuerzas gravitacionales es solo una expresión del hecho de que el espacio-tiempo es curvo. Sin embargo, debido a un error de Einstein (que era bastante humano y falible), no pudieron encontrar las ecuaciones que relacionaban la curvatura del espacio-tiempo con la masa y la energía en él.
Einstein continuó trabajando en el problema en Berlín, sin ser molestado por asuntos domésticos y en gran medida no afectado por la guerra, hasta que finalmente encontró las ecuaciones correctas, en noviembre de 1915. Einstein había discutido sus ideas con el matemático David Hilbert durante una visita a la Universidad de Gottingen en el verano de 1915, y Hilbert encontró independientemente las mismas ecuaciones unos días antes que Einstein. Sin embargo, como admitió Hilbert, el crédito por la nueva teoría pertenecía a Einstein. Fue su idea relacionar la gravedad con la deformación del espacio-tiempo. Es un tributo al estado civilizado de Alemania en este período que tales debates e intercambios científicos podrían continuar sin interrupciones, incluso en tiempos de guerra. ¡Qué contraste con 20 años después!
Según tengo entendido, para producir algo nuevo, tenemos que estar al lado de nuestros gigantes. Sí, desde mi punto de vista, las teorías de la relatividad de Einstein fueron una mayor extensión o una nueva aplicación de la ley de Maxwell. No solo las teorías de la relatividad, sino también casi todas las teorías físicas modernas.
Refs:
- Relatividad
- La teoría de la relatividad
- El tiempo como cuarta dimensión
