Teoría de la relatividad: Qué es y consecuencias


Teoría-de-la-relatividadEste post trata sobre el concepto de la teoría de la relatividad.

En el te hablaré sobre:

  • Qué es la teoría de la relatividad, explicando la importancia de sus dos sub-teorías; la relatividad general y la relatividad especial.
  • Cuáles son algunos de los hechos probados que son explicados por estas sub-teorías, aclarando a que elementos de la realidad afectan y de que forma. 

¿Qué es la teoría de la relatividad?


La teoría de la relatividad es un campo de la física que trata de explicar todos los fenómenos físicos independientemente de su situación (escala, posición, etc..). Para ello tiene en cuenta situaciones en donde la gravedad está presente o está (prácticamente) ausente.

Puede parecerte un poco contradictorio decir que trata de una teoría que trata de explicar todo y al mismo tiempo se tenga que dividir en dos, pero tiene una explicación. Y no es otra que la influencia de la gravedad, que afecta a nuestra realidad enormemente.

De esta forma, la única manera que conocemos de dar una explicación completa a la física de nuestro universo es usando dos teorías independientes:

Qué-es-la-teoría-de-la-relatividad
Definición de la teoría de la relatividad y explicación de sus dos sub-teorías: Relatividad general y relatividad especial

1. La teoría general de la relatividad

Explica como se relaciona la gravedad con el resto de factores físicos de la realidad. 

Específicamente, formula, que la gravedad es una propiedad geométrica del tiempo y del espacio. O lo que es lo mismo, cuanta más energía y materia exista en un punto, mayor será la gravedad, y por lo tanto, mayor deformación geométrica existirá (curvatura del espacio-tiempo).

Eso sí, no tienes que tomarte esta afirmación al pie de la letra. La realidad es que las ecuaciones de la relatividad general poseen soluciones exactas para ciertas situaciones (siendo muy útiles), pero son incapaces de dar respuesta certeras en otras situaciones. 

2. La teoría especial de la relatividad 

Explica cómo se relacionan el espacio y el tiempo cuando la fuerza de la gravedad es despreciable.

De esta forma, la afirmación principal de esta teoría es que todas las leyes físicas son iguales en cualquier punto del espacio. Pero esto solo ocurre cuando no existe aceleración, es decir, que no exista gravedad u otra fuerza externa que modifiqué las leyes de tu sistema de referencia. 

Esta teoría consigue explicar también los movimientos a altas velocidades (cercanos a los de la luz).

En resumen, la teoría de la relatividad es una ampliación de las teorías de la mecánica newtoniana. Da explicación a dos situaciones que no podían entenderse con la mecánica clásica; la influencia de la gravedad masiva y la forma en la que cualquier sistema físico funciona en cualquier escala espacial y temporal.

10 consecuencias de la teoría de la relatividad


La idea que te he mostrado hasta ahora de como la relatividad trata de explicar cualquier fenómeno físico basado en la presencia o ausencia de gravedad es solo la punta del iceberg.

Esta teoría supone el cumplimiento de múltiples principios para que sea posible. Y en muchos casos, son implicaciones que van más allá de nuestro sentido común.

Voy a mostrarte algunas de las más importantes.

5 consecuencias de la relatividad general

  • Desviación y retraso temporal de la luz: La luz se ve influida por el cambio en la curvatura del espacio-tiempo que provoca la gravedad. De esta forma, cuando atraviesa una zona con alta influencia gravitatoria su trayectoria se curva y disminuye su velocidad.
  • Expansión del universo: Una característica fundamental del espacio-tiempo es que está en continua expansión. Las únicas zonas donde no ocurre esto son aquellas donde la influencia gravitatoria es lo suficientemente grande como para mantener unida a la materia.
  • Precesión: Son pequeñas variaciones continuas que se producen en el ciclo de los planetas debido a la gravedad. Existen 2 variantes, la precesión axial (el eje de giro de un planeta se modifica un determinado número de grados) y la precesión apsidal (la órbita de los planetas también varía porque se modifica su plano orbital).
    5-consecuencias-de-la-relatividad-general
    Implicaciones de la relatividad general con la luz, la cohesión de la materia, los ciclos planetarios, el tiempo y el movimiento
  • Dilatación gravitacional: A mayor fuerza gravitacional más lento pasa el tiempo para un observador. De esta forma, al comparar dos observadores con diferente influencia gravitacional, el que este más “influido” verá como su tiempo pasa más lentamente si se compara con el que tiene una menor influencia.
  • Arrastre de cuadros: Cualquier efecto gravitacional no depende solo de la masa del cuerpo sino también de su movimiento. Su efecto es muy pequeño, por lo que para poder detectarlo es necesario cumplir con una serie de condiciones: sistema con gran masa, gran velocidad y aparatos de detección muy precisos.

Como puedes ver, las implicaciones de la relatividad general son esencialmente efectos que la gravedad provoca sobre otros factores de la realidad (luz, cohesión de la materia, ciclos planetarios, percepción del tiempo, movimiento, etc..)

En el siguiente apartado voy a mostrarte algunos efectos observados cuando la gravedad no es tan relevante.

5 consecuencias de la relatividad especial

  • Dilatación del movimiento: A mayor velocidad más lentamente transcurre el tiempo. Es decir, si dos observadores a diferentes velocidades miden el tiempo, el que haya ido a más velocidad se habrá movido menos en la escala temporal.
  • Equivalencia de la masa y la energía: La energía y la masa no son dos conceptos separados en la práctica. Cualquier cantidad de masa tiene una cantidad de energía y viceversa, como se puede ver por la fórmula E=mc². Aunque eso si, esta fórmula tiene en cuenta solo partículas en parado. Si están en movimiento, es posible tener energía (momento lineal) y no tener masa. Es el caso de los fotones por ejemplo.
  • Sin simultaneidad de eventos: Si dos observadores con diferente marco de referencia miden al mismo tiempo dos eventos separados, como mucho uno de ellos podrá decir que ambos eventos han ocurrido al mismo tiempo. La única posibilidad de que coincidan es que sus trayectorias recorran la misma distancia y sean perpendiculares a la línea que conecta las ubicaciones de los dos eventos.
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    Implicaciones de la relatividad con el tiempo, la masa/energía, la observación de eventos o la velocidad
  • Contracción de longitud: La longitud de un objeto es más corta a velocidades cercanas a la luz que en reposo. Esto no implica que el objeto realmente se acorte, sino que un observador en reposo lo percibe de esa manera. O lo que es lo mismo, grandes diferencias de velocidad crean el efecto de contracción (Efecto Lorentz-Fitzgerald).
  • Velocidad máxima finita: El máximo recorrido en el vacío que puede efectuar la materia o la energía en un determinado tiempo está limitado. El límite es la velocidad de la luz (casi 300.000 km/s). Pese a denominarse de esta manera, la luz no es el único elemento físico que puede alcanzar esta velocidad (ondas gravitacionales, otras ondas electromágneticas, etc..).

Tienes que saber también, que todas estas implicaciones se pueden explicar de forma práctica gracias a las transformadas de Lorentz. ¿En qué consisten?

Son un conjunto de ecuaciones que sirven para explicar la percepción de un observador partiendo de otro  distinto. De esta forma, estas ecuaciones “transforman” la observación, infiriendo como percibiría un evento el “observador 2” a partir de como lo percibe el “observador 1”. 

Referencias



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