A principios del siglo XX, la mecánica newtoniana y la teoría del electromagnetismo de Maxwell habían demostrado modelos de naturaleza extremadamente exitosos en diferentes regímenes. Por un lado, la teoría de Newton describía la gravitación y la teoría de Maxwell describía el electromagnetismo.
Ahora, un enigma evidente es que ambas teorías parecían de alguna manera incompatibles. Este fue un rompecabezas que Einstein intentó resolver.
La teoría de Maxwell tiene una simetría que la teoría de Newton no tiene, es decir, es invariable bajo las transformaciones de Lorentz, que mezclan extrañamente el espacio y el tiempo, la energía y el impulso. Cómo tal teoría podría ser consistente con la de Newton fue esencialmente la gran pregunta para Einstein.
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En un momento pensó en las ecuaciones de Maxwell y dedujo que, dado que no hay soluciones de las ecuaciones de Maxwell en las que el campo electromagnético no se mueve, siempre debe moverse a una velocidad constante de acuerdo con cualquier observador no acelerador. Esto implicaba un postulado fundamental de lo que se convertiría en su teoría especial de la relatividad, a saber , que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia inerciales.
Nuestra imagen de la realidad de acuerdo con la relatividad especial demolió para siempre la noción de que el tiempo y el espacio como cosas absolutas tienen alguna realidad física, y más bien implica que ambos son relativos solo a un observador dado. Por ejemplo: si los relojes que usted y yo llevamos individualmente miden diferentes duraciones entre el mismo evento (¡una paloma volando entre dos ventanas, por ejemplo!) , Entonces, ¿cuál es el tiempo “más real”? Podríamos describir la evolución de cualquier sistema según el mío o el suyo, y de hecho describir la evolución de mi tiempo con respecto al suyo y viceversa; El punto es que no hay una definición preferida de tiempo.
Por supuesto, Einstein tuvo que demostrar que las predicciones de su teoría no solo implican algo descabellado, sino que también concuerda con la teoría de Netwon en un sentido limitante. Ese sentido limitante es el caso donde la velocidad relativa de los objetos es mucho menor que la velocidad de la luz. Este llamado límite “no relativista” concuerda precisamente con la teoría de Netwon, por lo que la teoría de Einstein realmente va más allá de Netwon. Las ramificaciones ontológicas relacionadas con nuestras ideas de simultaneidad y espacio y tiempo absolutos son, por supuesto, completamente ajenas a la perspectiva de Newton.
Hasta ahora, Einstein se había casado con éxito con las teorías de Netwon y Maxwell dentro de un nuevo y hermoso paradigma de relatividad. Lo que aún tenía que hacer era comprender cómo encajar la gravitación en esta imagen: hasta ahora, la relatividad especial no describía la gravitación.
En “… la realización más feliz de su vida”. Einstein concibió un experimento mental (¡era, como se puede imaginar, completamente brillante en inventar experimentos mentales!) En el que una persona en un ascensor sería enviada al espacio vacío flotando alrededor ingrávido. Supongamos entonces que la persona acelera de repente al piso del elevador y percibe su propio peso; esa persona no podía deducir (solo desde el interior del ascensor) si estaban o no en un campo gravitacional o si estaban acelerando uniformemente (bajo la influencia de un travieso cohete afuera, por ejemplo) . Esto lo llevó a la idea de que el movimiento acelerado es físicamente lo mismo que el movimiento uniforme en un campo gravitacional. Esto lo llevó a su principio de equivalencia, del cual finalmente pudo derivar su teoría de la relatividad general.
Para formalizar la Relatividad General, Einstein utilizó las formidables matemáticas de Riemann para describir cómo cambia la forma del espacio-tiempo en respuesta a la distribución local de masa y energía. Es precisamente de esta manera que la masa y la energía cambian la forma del espacio-tiempo de tal manera que los caminos seguidos por los objetos que caen libremente aceleran hacia cuerpos masivos / energéticos (notablemente, ¡la gravedad no solo es causada por la masa, sino también por la energía!).