¿Por qué Albert Einstein fue el primero en llegar a la teoría general de la relatividad a pesar de que muchos colegas científicos participaron en el mismo viaje de incorporar la gravedad y los marcos acelerados en la nueva teoría del espacio-tiempo (también conocida como relatividad especial)?

La respuesta de Chong You Quan aquí captura muy bien la maquinaria matemática que Albert Einstein necesitaba para familiarizarse, para poder formalizar la teoría misma.

También me gustaría agregar otra cosa aquí. No se trataba solo de conocer las matemáticas en sí. El camino hacia la generalización de la relatividad para incluir marcos no inerciales a través de una descripción geométrica de la gravitación, fue bastante arduo y, de hecho, fue un salto altamente no trivial de la imaginación humana. Albert Einstein fue realmente el que presionó demasiado para desenterrar estas ideas empujando obsesivamente más y más el problema, durante casi 8 años antes de que pudiera llegar a una formulación que funcionara. La idea de considerar la equivalencia inercial y gravitacional, las implicaciones resultantes de la gravitación que dobla la luz y ralentiza el tiempo, las implicaciones de los discos giratorios y la geometría percibida por los observadores fueron todos aspectos que resolvió de los experimentos de pensamiento y podría tomar en serio solo debido a su genio innato para el físico visión. Esta fue una física verdaderamente revolucionaria que arrojó años de creencia científica. Comprender las implicaciones reales de algunos de estos supuestos, tampoco es nada trivial. Como ejemplo, aunque la equivalencia inercial y gravitacional y el principio de Mach podrían haber sido fuentes de inspiración para la teoría de Einstein, incluso ahora, con todos sus hermosos formalismos, las implicaciones de la relatividad general para el principio de Mach son bastante complicadas para tener sentido. Llegar a las ideas es una cosa (que es difícil en sí misma), y formularla es otra, ambos pasos increíblemente difíciles en un problema difícil.

Para llevar todo esto a una formulación matemática que funcionara, claramente requería que entendiera y se fortaleciera con herramientas geométricas. El camino aquí también era no trivial. Tenía una y otra vez, probó caminos y falló en las formulaciones, revisando muchos supuestos (como el ‘argumento del agujero’) e intentando deshacerse de las inconsistencias. Después de familiarizarse también con las herramientas matemáticas, pasaron algunos años antes de que llegara a una formulación exacta (que es como se usa hoy), y obtenga números verificables experimentalmente (para el ángulo de flexión de la luz en el experimento del eclipse, precesión). de perihelios de planetas).

Resumiría que, además de tener que aventurarse en nuevas vías matemáticas, también es que, el camino en sí mismo requirió un tremendo salto en la imaginación y una ardua búsqueda del problema en sí. Era un problema realmente difícil, tanto física como matemáticamente, en ese momento. Einstein fue quien recorrió todo este camino. Su arduo trabajo aquí junto con su genio y perspicacia son lo que, en cierto sentido, lo ayudaron a llegar a la teoría, de una manera que posiblemente ningún otro físico contemporáneo de su época podría haberlo hecho.

La explicación más concisa es que Einstein era el único científico de la época que realmente creía en la relatividad como principio universal.

Las leyes de Newton eran leyes de marcos de referencia inerciales (no acelerados). La relatividad especial es una extensión de las leyes de Newton, que en consecuencia la convierten en una teoría de los marcos inerciales también.

El problema era que Newton no tenía una teoría para cuadros acelerados. De hecho, ni él ni casi todos los demás creían que la teoría era posible, por la razón básica de que si bien el movimiento inercial es relativo, los marcos acelerados no lo son. Por ejemplo, un cuadro acelerado se distingue claramente de un cuadro no acelerado: un conductor en un automóvil que acelera puede sentir la fuerza sobre su espalda, mientras que un observador que observa el automóvil no siente ninguna fuerza. El enfoque newtoniano fue aplicar “fuerzas ficticias “(como la fuerza centrífuga) en un marco no inercial para hacerlo inercial. Por lo tanto, parecía perfectamente natural tratar la relatividad especial de la misma manera. Entonces diría que no, no era natural preguntar qué pasa con los marcos acelerados .

Einstein, sin embargo, no estaba satisfecho. En el universo que su dios habría creado, todos los observadores de todos los marcos (incluso los no inerciales) deberían trabajar desde las mismas leyes de la física: el principio de la relatividad con los esteroides. La gravedad era el punto conflictivo. Newton consideró un laboratorio en la tierra como un marco inercial después de incluir la fuerza de la gravedad. Pero Einstein quería hacer que todos los cuadros fueran equivalentes, por lo que, cualquiera que fuese la gravedad, tenía que ser parte del cuadro en lugar de un factor de fudge aplicado a un cuadro no inercial para que pareciera inercial. La relatividad general a menudo se describe como relatividad que incluye cuadros acelerados, pero creo que es mejor pensar en GR como una teoría de la gravedad. Sí, la equivalencia de la gravedad y la aceleración lo convierte en una teoría para cuadros acelerados también, pero creo que llamarlo una teoría de la gravedad captura el problema de lo que Einstein estaba tratando de resolver.

SR a menudo se describe incorrectamente como no capaz de manejar tramas aceleradas. Se puede usar para manejar cuadros de aceleración al igual que las leyes newtonianas podrían manejar cuadros de aceleración. Esto es exactamente por qué no era natural pensar “¿qué pasa con los cuadros acelerados” porque todos pensaban que ya tenían una teoría que maneja los cuadros acelerados. Einstein no estaba interesado en simplemente manejar cuadros acelerados; Quería una teoría en la que todos los marcos fueran igualmente válidos, acelerados o no.

Básicamente, Einstein estaba resolviendo un problema que nadie más reconoció como un problema. Desafortunadamente, Einstein pasó gran parte del resto de su carrera tratando de resolver problemas que nadie hoy en día reconoce como un problema, o al menos problemas que son discutibles de todos modos debido a otros descubrimientos (fuerzas nucleares fuertes y débiles, etc.) que se han realizado posteriormente.

No creo que Einstein estuviera buscando una teoría de cuadros acelerados. Estaba tratando de responder a la pregunta ¿cuál es la naturaleza de la gravedad? Probablemente se dio cuenta al principio de que este es el mismo problema en condiciones localizadas.
Si tenía una ventaja, estaba en su uso de experimentos mentales para probar y desarrollar teorías. Esto probablemente se perfeccionó durante su tiempo como empleado de la oficina de patentes cuando no habría tenido fácil acceso al trabajo de otros. Era, por supuesto, un genio, pero gran parte de ese tiempo era para la mayoría de los estándares. Aquí hay una buena nota de imagen que está en el medio en el frente (Max Plank está al lado de Marie Curie, creo).

Porque era un niño grande.

Lo digo en serio. Cuando comenzó a crecer, lo que le llevó mucho más tiempo que la mayoría, se volvió inútil. Es por eso que estoy tratando de evitarlo el mayor tiempo posible.

Tal vez fue el primero en ver que la aceleración y la gravedad podrían tratarse de la misma manera.