¿Quién puede dar una explicación amigable para los niños a ‘la teoría de la relatividad general’ y ‘la teoría de la relatividad especial’?

No estoy seguro acerca de los niños, pero déjame intentarlo …

En la década de 1860, el físico británico James Clerk Maxwell descubrió un conjunto de ecuaciones que cuentan todo lo que necesitamos saber sobre la electricidad y el magnetismo. En el proceso, también descubrió que la luz es solo una forma de onda electromagnética. Sin embargo, las ecuaciones de Maxwell tenían una propiedad peculiar: no tenían en cuenta el movimiento de la persona que está haciendo observaciones. Esto implicaba que al medir la velocidad de un rayo de luz, dos observadores harán la misma medición, incluso si, por ejemplo, uno está parado y el otro está corriendo muy rápido, tratando de alcanzar el rayo de luz. Esto parecía no tener sentido.

Entre 1860 y 1900, hubo muchos intentos fallidos de cambiar las ecuaciones de Maxwell para eliminar esta aparente inconsistencia. La relatividad especial ataca el problema de una manera inesperada: básicamente dice que no hay nada de malo en la teoría de Maxwell. Más bien, es nuestro concepto de sentido común de cómo se explica el espacio (¡y el tiempo!) Entre los observadores en movimiento lo que necesita ser revisado. Esta idea revolucionaria obtuvo una aceptación razonablemente rápida, porque simplemente funcionó: todas sus predicciones (hasta la fecha) están de acuerdo con la observación.

Esta teoría se llamó entonces la teoría de la relatividad. Sin embargo, su creador, Einstein, no estaba satisfecho con una teoría que solo se relacionaba entre sí con observadores en línea recta, movimiento uniforme (inercial). Quería extender la teoría a todos los observadores, incluidos los observadores que aceleran o cambian de dirección.

Mientras trabajaba en esto, identificó un principio importante relacionado con la gravedad: la fuerza gravitacional es universal, afecta a todos los objetos exactamente de la misma manera. (Piense en el famoso experimento realizado por un astronauta del Apolo que dejó caer un peso pesado y una pluma en la Luna: en ausencia de resistencia del aire, ambos cayeron al mismo ritmo). Einstein se dio cuenta de que esto también significa que los efectos de la gravedad puede expresarse en términos de geometría. No solo puede, sino que debe: por lo tanto, la teoría que buscaba tenía que incorporar la gravedad. Le tomó años (y muchos callejones sin salida), pero finalmente encontró la ecuación correcta, que conecta la geometría del espacio-tiempo con la materia. Esta ecuación básicamente nos dice dos cosas: nos dice cómo el espacio-tiempo se dobla y distorsiona en presencia de materia, y también nos dice cómo se mueve la materia en respuesta a las distorsiones del espacio-tiempo. Esta generalización de la teoría de la relatividad llegó a conocerse como la “teoría general” (de la relatividad), y la teoría más restrictiva anterior fue rebautizada como “teoría especial”. La relatividad general incluye la relatividad especial como un caso especial o limitante.

Einstein propuso tres predicciones comprobables de la teoría general. Primero, ligeras desviaciones de la órbita de Mercurio de las predicciones. Esto se conocía desde mediados de 1800, pero hasta este momento, no se ofrecía una explicación satisfactoria. Segundo, predijo que la gravedad dobla los rayos de luz. No solo eso, sino que el ángulo por el cual los rayos de luz se doblan será el doble de lo que calcularías usando la gravedad de Newton y la luz de modelado como una corriente de partículas rápidas. En tercer lugar, predijo que la luz proveniente del interior de campos gravitacionales fuertes se desplazará hacia el extremo rojo del espectro. La confirmación de la segunda predicción (la curvatura de la luz) durante el eclipse solar de 1919 por el físico británico Arthur Eddington es lo que elevó a Einstein al estrellato internacional. La confirmación sólida de la tercera predicción fue difícil y tuvo que esperar hasta después de la muerte de Einstein.

Cuando se inventaron los trenes, la gente estaba nerviosa por viajar más rápido que un caballo, porque pensaban que sus cuerpos no estaban hechos para eso. Pero después de construir valientemente y viajar en trenes más rápidos, y los experimentos de los ingenieros inventores, se demostró que era bastante seguro.

De hecho, fue como sentarse en su propia sala de estar de muchas maneras, una vez que los carruajes estaban cerrados con puertas y ventanas. E incluso podrías verter té y caería correctamente en tu taza.

Hoy en día, una azafata puede verter café en su taza mientras vuela a 600 km por hora a 30,000 pies. No tenemos que preocuparnos ahora porque tenemos leyes de física que nos dicen cómo será, por lo que no tenemos que hacer ningún cálculo para diferentes velocidades o tipos de transporte.

Pero cuando apareció Einstein, nos mostró que en realidad sí necesitamos modificar un poco las leyes. Hasta Eistein, los científicos tenían un montón de reglas diferentes para la luz y la electricidad en diferentes circunstancias. Esto era como tener una regla diferente para servir té en un tren que servir café en un avión. Todo estaba un poco desordenado y nada satisfactorio.

Einstein trajo una imagen mucho mejor que nos mostró cómo mirar todo el movimiento de la misma manera. Mostró que las cosas dependen unas de otras de manera sorprendente y que la velocidad está enredada con cosas como el espacio y el tiempo.

Ese fue un gran logro y explicó mucho sobre el movimiento, pero luego Einstein fue aún más lejos y debería pensar en la fuerza cuando pones los frenos, de la misma manera que la fuerza de la gravedad.

Estas ideas parecen realmente extrañas, es como si la tierra y tú hubieras puesto los frenos, pero no puedes ver que te estabas moviendo en primer lugar. Bueno, en realidad lo estamos, y si la tierra no se cayera al sol, volaría al espacio, por lo que ayuda a ver cómo la gravedad puede equilibrarse al caer.

Pero Einstein dijo que no es solo un equilibrio, si entiendes el espacio, el tiempo y la energía como reglas, estas reglas son realmente una regla inteligente y el universo es mucho más elegante y está bien hecho. Después de todo, no como una vieja bicicleta destartalada unida con pedazos de alambre de pollo y chicle.

La lección es que el sentido común no siempre es lo mejor. A veces, el sentido poco común es mucho más simple, más poderoso y más hermoso.

En realidad no.

Las matemáticas de la relatividad no son fáciles y no deben tratarse como tales.

Pero lo intentaré.

Entonces, comencemos con algo más fácil. Ondas sonoras.
Las ondas sonoras se propagan a través de un medio a una velocidad determinada, determinada por ese mismo medio. De hecho, puede escribir la ecuación como:

[matemáticas] \ Delta \ psi = \ frac {m} {k} \ delta_ {t ^ 2} \ psi [/ matemáticas]

Cada onda de sonido es una solución a esta ecuación diferencial. Podemos probar esto usando la conservación de la energía, y también podemos probar que la velocidad de la onda es igual a [matemáticas] \ sqrt {\ frac {k} {m}} [/ matemáticas], o la raíz cuadrada del número antes del derivado del tiempo.

Ahora, solo hay un problema. Esta ecuación solo se mantiene cuando está en reposo según el medio, y solo hay un marco inercial que está en reposo según este medio en cualquier momento.

Esta es la razón por la cual el viento arrastra las voces y las demoras de los ecos pueden cambiar durante una tormenta. Incluso el efecto Doppler depende del viento.

Esto explica cada ola: todas las ondas siguen la ecuación:
[matemáticas] \ Delta \ psi = \ frac {1} {v ^ 2} \ delta_ {t ^ 2} \ psi [/ matemáticas]

Del mismo modo, podemos demostrar que, para la luz:

[matemáticas] \ Delta \ psi = \ epsilon_0 \ mu_0 \ delta_ {t ^ 2} \ psi [/ matemáticas]

Usando las ecuaciones de Maxwell.
Debido al comportamiento de las ondas de sonido, todos pensaron que la luz también necesitaba un medio para viajar.

Resulta que no lo hizo.

Descubrieron una cosa. Una cosa simple

El ‘éter’ (o la falta de) está en reposo para cada marco inercial.

Usando las ecuaciones de Maxwell, la velocidad de la luz tenía que ser la misma para cada cuadro inercial, por lo que todos ven que la luz viaja a la misma velocidad.
Lo que implica una falta de casualidad.
Lo que implica dilatación del tiempo.
Lo que implica contracción de longitud
Lo que implica que se necesitaban transformaciones de Lorenz
Y así.

Y esto es lo que Einstein descubrió con su “relatividad especial”, y realmente no puedo ayudarte más que esto.

Además, como un bono:
Cada ola tiene que viajar a través de un medio, o viaja a la velocidad de la luz: todas las ondas que no usan medios viajan exactamente a la misma velocidad. Que está empíricamente demostrado que es la velocidad de la luz.

Relatividad especial : la información no se transmite instantáneamente sino que lleva tiempo. La velocidad máxima a la que llega la información es la velocidad de la luz. Esto tiene muchas consecuencias interesantes.
Relatividad general: la gravedad se puede describir como una deformación en una estera o una lámina, debido a que un objeto tiene masa. Otros objetos afectados por esta gravedad se mueven debido a esta deformación justo cuando una bola rueda hacia el centro de la lámina deformada.