El principio de relatividad (1): movimiento relativo

La aproximación filosófica de Einstein a la ciencia era más próxima a la de Copérnico que a la de Newton. Imagen: PLANISPHÆRIVM COPERNICANVM Sive Systema VNIVERSI TOTIVS CREATI EX HYPOTHESI COPERNICANA IN PLANO EXHIBITVM de Andreas Cellarius (1660)

La teoría de la relatividad de Einstein se parece más a la teoría heliocéntrica de Copérnico que a la gravitación universal de Newton. La teoría de Newton es lo que Einstein llamaba una “teoría constructiva”. Se construyó en gran parte a partir de resultados experimentales (Kepler, Galileo) usando el razonamiento, hipótesis estrechamente relacionadas con leyes empíricas y conexiones matemáticas. Por otro lado, la teoría de Copérnico no se basaba en ninguna prueba experimental concreta y nueva, sino principalmente en cuestiones estéticas. Einstein se refería a este tipo de planteamientos como una “teoría de principios”, ya que se basaba en ciertos principios supuestos sobre la naturaleza, cuya validez podría entonces contrastarse con el comportamiento observado del mundo real. Para Copérnico, estos principios incluían las ideas de que la naturaleza debía ser simple, armoniosa y “bella”. En este sentido, Einstein pensaba en términos copernicanos. Como después diría uno de sus estudiantes más cercanos, Banesh Hoffmann,

Se podía ver que Einstein estaba motivado no por la lógica en el sentido estricto de la palabra, sino por un sentido de la belleza. Siempre buscó la belleza en su trabajo. Igualmente, le impulsaba un profundo sentido religioso que se satisfacía al encontrar leyes maravillosas, leyes simples en el Universo.

El trabajo de Einstein sobre la relatividad comprende dos partes: una “teoría especial” y una “teoría general”. La teoría especial se refiere a los movimientos de observadores y acontecimientos que no sufren ninguna aceleración. Las velocidades permanecen uniformes. La teoría general, por otro lado, incluye las aceleraciones.

La creación de la teoría de la relatividad especial de Einstein comenzó con consideraciones estéticas que le llevaron a formular dos principios fundamentales sobre la naturaleza. Una vez formulados estos dos principios, Einstein simplemente siguió la lógica que se derivaba de estos dos principios hasta donde fuera que le llevase. Como resultado Einstein derivó de ellos una nueva teoría de los conceptos de espacio, tiempo y masa, conceptos que están en la base de toda la física. Démonos cuenta de que Einstein no estaba construyendo una nueva teoría para acomodar datos experimentales nuevos y desconcertantes*, sino que derivaba, por deducción, las consecuencias que sobre los fundamentos de todas las teorías físicas tenían sus principios básicos.

Aunque se iban acumulando algunas pruebas experimentales en contra de la física clásica de Newton, Maxwell y sus contemporáneos, a Einstein le preocupaba desde joven la forma inconsistente en que se usaba la teoría de Maxwell para tratar el movimiento relativo. Esto le condujo al primero de sus dos postulados básicos: el principio de relatividad, y al título del que quizás sea su artículo más famoso, “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”.

Pero empecemos por el principio: ¿qué es el movimiento relativo? Una forma de analizar el movimiento de un objeto es determinar su velocidad promedio, que se define como la distancia recorrida durante un tiempo dado, por ejemplo, 13,0 cm en 0,10 s, o 130 cm/s. Imaginemos que estamos jugando con un cochecito que se mueve con esa velocidad promedio sobre una mesa, y la distancia recorrida la medimos en relación a un metro fijo que tenemos sobre ella. Supongamos ahora que la mesa tiene ruedas y que se desplaza en la misma dirección y sentido que el cochecito por la habitación a 100 cm/s con respecto al suelo de la habitación. Luego, en relación con un metro situado en el suelo, el coche se mueve a una velocidad diferente, 230 cm/s (100 +130), aunque el cochecito se sigue moviendo a 130 cm/s con respecto a la mesa. Por tanto, al medir la velocidad promedio del cochecito, primero debemos especificar qué usaremos como referencia para medir la velocidad. ¿Es la mesa, o el suelo u otra cosa? La referencia que elegimos finalmente se llama el “marco de referencia” (ya que podemos considerarlo como el marco de la imagen que recoge los hechos observados). Todas las velocidades se definen así en relación a un marco de referencia que elegimos.

Pero, siguiendo con el razonamiento, observamos que si usamos el suelo como nuestro marco de referencia, tampoco éste está en reposo. Se está moviendo con relación al centro de la Tierra, ya que la Tierra está girando. Además, el centro de la Tierra se mueve en relación con el Sol; y el Sol se mueve en relación con el centro de la Vía Láctea, y así sucesivamente. . . . ¿Alguna vez llegamos al final de esta regresión? O, dicho de otra manera, ¿hay algo que esté en reposo absoluto?Newton y casi todo el mundo después de él pensaba que sí. Para todos ellos, el espacio era el que estaba en reposo absoluto. En la teoría de Maxwell, se cree que este espacio está lleno de una sustancia que no es como la materia normal. Es una sustancia, llamada “éter”, que los físicos supusieron durante siglos como portadora de la fuerza gravitacional. Para Maxwell, el éter mismo está en reposo en el espacio, y explica el comportamiento de las fuerzas eléctricas y magnéticas y la propagación de ondas electromagnéticas.

Aunque todos los esfuerzos experimentales a fines del siglo XIX para detectar el éter en reposo habían terminado en fracaso, Einstein estaba más preocupado desde el principio, no con este fracaso, sino con una inconsistencia en la forma en que la teoría de Maxwell trataba el movimiento relativo. Einstein se centró en el hecho de que son solo los movimientos relativos de los objetos y los observadores, más que cualquier supuesto movimiento absoluto, lo más importante en esta o cualquier teoría. Por ejemplo, en la teoría de Maxwell, cuando se mueve un imán a una velocidad vcon respecto a una bobina fija de alambre, se induce una corriente en la bobina, que puede calcularse con anticipación mediante una fórmula determinada. Ahora bien, si el imán se mantiene fijo y la bobina se mueve a la misma velocidad v, se induce la misma corriente, pero se necesita una ecuación diferente para calcularla de antemano. ¿Por qué debería ser así, se preguntó Einstein, si solo la velocidad relativa v es lo que cuenta? Como ni las velocidades absolutas, ni el espacio y el tiempo absolutos aparecían en los cálculos ni pueden determinarse experimentalmente, Einstein declaró que los absolutos, sobre la base de la supuesta existencia del éter, eran “superfluos”, innecesarios.

El éter parecía útil para imaginar cómo viajaban las ondas de luz, pero no era necesario. Y como tampoco se podía detectar, después de la publicación de su teoría por parte de Einstein, la mayoría de los físicos llegaron a aceptar que simplemente no existía. Por la misma razón, se podía prescindir de las nociones de reposo absoluto y movimiento absoluto. En otras palabras, concluía Einstein, todo movimiento, ya sea de objetos o de haces de luz, es movimiento relativo. Debe definirse con relación a un marco de referencia específico, que puede o no estar en movimiento relativo a otro marco de referencia.

Nota:

* Si nos fijamos, Einstein no seguía el llamado “metodo científico” estándar, que asume que existen datos experimentales que las teorías actuales no pueden explicar. La forma de trabajar de Eisntein, en general, basada en principios estético-filosóficos, nunca se acomodó a la descripción del método hipotético deductivo, considerado como “el” método científico. A este respecto, puede resultar interesante leer La tesis de Duhem-Quine (V): Los métodos de la ciencia

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

4 Comentarios

Deja un comentario

Hitos en la red #191 | Enlace Recomendado | Naukas

[…] El principio de relatividad (1): movimiento relativo […]

El principio de relatividad (2): la versión de Galileo - Cuaderno de Cultura Científica

[…] un avión que se mevan a velocidad constante. Hemos visto que cada uno de estos sistemas sería un marco de referencia para nuestras observaciones. El hecho de que los movimientos de las pelotas de baloncestoy las […]

El principio de relatividad (3): la invariancia de Galileo - Cuaderno de Cultura Científi...

[…] de manera diferente cuando están observando el evento desde diferentes marcos de referencia en movimiento relativo. La bola comienza estacionaria con respecto a un marco (el tuyo), mientras que, hasta su […]

Deja un comentario

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>