UNA GENIAL CREACION DE LA MENTE - LA RELATIVIDAD A PUNTO DE CUMPLIR UN SIGLO

James Clerk Maxwell un físico matemático nacido en ESCOCIA (Correcion: antes habia puesto Shitland=Inglaterra, sin embargo Escocia no es lo mismo), elaboró unas de las teorías físicas, considerada por muchos como la creación más bellas  de la mente humana del siglo XIX. Las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo que hoy conocemos, fueron llevadas a la notación vectorial por Heaviside, en colaboración con Gibbs y Hertz, independientemente, siendo estás ecuaciones fundamentalmente estructurales, lo cual permitió además, apreciar el enorme valor que tiene el concepto de CAMPO, como herramienta en la física.
Se determino que el campo electromagnético es un deposito de energía, y una vez creado existe, actúa y varia según las ecuaciones de Maxwell, esto le dio el golpe de gracia a la teoría de los fluidos eléctricos y magnéticos como sustancias imponderables. hoy en día todos los físicos asumen como un hecho, sin duda alguna, la realidad de la existencia del campo electromagnético, por lo que se llego a transformar un simple concepto en un hecho real.

Las ecuaciones de Maxwell permitieron analizar la radiación electromagnética, además se determino la velocidad de esta onda, obteniéndose un valor igual al de la luz, por lo que se concluyo que la luz visible es una onda electromagnética de alta frecuencia, donde los diferentes colores vienen dado por sus diferentes frecuencias, además permitió el estudio de todo el espectro de las ondas electromagnéticas desde la de alta a baja frecuencia,  esto permitió el desarrollo tecnológico de la radio, el televisor, el radar, etc.

Es necesario aclarar que una onda en la física clásica, es la manera en que se propaga energía a través de un medio,  por ejemplo el sonido a través del aire, un metal, etc.,  sin embargo la gran pregunta que se genero fue la siguiente: 
¿Cuál es el medio que utiliza una onda electromagnética para propagarse, ya que la misma se propaga también en el vacío?. 

Para responder la pregunta anterior se termino aceptando la existencia de una sustancia, invisible e imponderable que lo llena todo y se la denomino "ETER", siendo este el medio utilizado por la onda electromagnética para transportar la energía,  esta repuesta traída de los pelos trajo aparejada la siguiente pregunta:

¿para un observador en reposo, la velocidad de la luz es mayor si se genera sobre un vehículo que se mueve  en la dirección de la luz, o menor si el movimiento es en el sentido contrario, como en el caso de la velocidad de una bala. En síntesis la pregunta es si se puede utilizar la transformación de la física clásica a las ondas electromagnética?

Todas las mediciones que se realizaron, dieron como resultado que la velocidad de la luz es constante en todas las direcciones, lo que en física se denomina un INVARIANTE, es decir que para un observador en reposo, el valor que obtiene de la medición de la velocidad de la luz generada arriba de un vehículo que se aleja o se acerca, siempre será la misma, tirando por la borda la nueva sustancia denominada ETER.
El experimento que determino con toda certeza de que la velocidad de la luz siempre es contante en todas las direcciones, ya sea esta generada en un cuerpo en reposo o en movimiento, fue el que realizaron Michelson y Morley, siendo este uno de los más famosos e importantes que se realizaron en la física.

 

Configuración de interferómetros de Michelson y Morley, montados sobre una losa de piedra y flotando en un recipiente de mercurio.

Un físico matemático de los Países Bajos llamado Hendrik Antoon Lorentz, introdujo una transformaciones para resolver esta inconsistencia entre el electromagnetismo y la física clásica,  sin embargo estas presentaban inicialmente un formalismo matemático incorrecto, siendo el matemático Francés Poincaré el que desarrolló las ecuaciones consistentes, tal como la conocemos hoy en día, y cuyo objeto principal es mantener la velocidad de la luz constante para todos los observadores situados en un SISTEMA DE COORDENADAS INERCIALES. 

Albert Einstein baso su teoría de la relatividad restringida en el trabajo de Michelson y Morley (la velocidad de la luz es un invariante), y en el conjunto de relaciones de las transformada de Lorentz-Poicaré, puso además como premisa que ningún objeto puede superar la velocidad de la luz en el vacío, y con estas ideas asentada en un trabajo matemático revoluciono el concepto que se tenia del espacio y el tiempo, como así también la equivalencia entre materia y energía, publicando tempranamente tres impresionantes artículos, uno de los cuales se denominaba "Zur Elektrodynamik bewegter Körpe" (Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento), donde establece sus dos famosos postulados y asombra al mundo con su teoría especial de la relatividad.

Luego de diez años a partir de la publicación del artículo de la teoría de la relatividad restringida, recién pudo Einstein dar a luz su TEORIA GENERAL DE LA RELATIVIDAD, siendo este tiempo un indicador de la magnitud y la dificultad que planteaba el programa de trabajo de esta segunda parte de la teoría.

Hoy en día existen un inmenso material de divulgación científica de las nociones de la TEORIA DE LA relatividad restringida, donde el tiempo se atrasa o adelanta, el espacio se alarga o contrae, según si el observador esta en reposo o en movimiento, o la transformación de un pedazo de uranio en una fuente de energía, por lo que la mayoría de la gente común tiene una idea de lo que trata la relatividad, sin embargo lo que la mayoría de la gente no sabe es que la teoría de la relatividad derrumbo los sacrosantos conceptos de la Gravedad de Newton, es por ello que a continuación vamos a describir en forma concisa las ideas que dieron lugar a la TEORIA GENERAL DE LA RELATIVIDAD.
Einstein sabia que para que su teoría de la relatividad formara un solo cuerpo conciso, tenía que generalizarla a todos los sistema de coordenadas, y no que funcione solo para los sistemas de coordenadas inerciales, además era consciente que este programa de trabajo era bastante intrincado, fundamentalmente porque debía sumergirse en un aspecto bastante abstracto de la física clásica.

GALILEO GALILEI formulo su ley de INERCIA en base a una especulación mental, enunciándola como:

"Todo  cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que obren sobre él fuerzas exteriores que le obliguen a modificarlo."

Se trata de una especulación mental, ya que es imposible realizar un experimento donde los cuerpos no posean influencia exterior, sin embargo Newton le dio el marco matemático que necesitaba, dando el puntapié inicial para el avance de la física, sin embargo, aunque no se enuncio directamente, no hay que olvidarse que todas las leyes de la física  son validas únicamente para un sistema de coordenada en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, lo que en física se denomina  SISTEMA DE COORDENADA INERCIAL.
Newton decía que si se cumple el principio de Inercia el sistema de coordenadas se encuentra en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, y si este principio no se cumple, el sistema de coordenada esta en movimiento no uniforme o acelerado.

¿Un sistema de coordenada unido a la tierra es un sistema de coordenada inercial?. No porque la tierra gira alrededor del sol, y como de hecho la dirección del movimiento cambia, existe una aceleración (la velocidad es un vector, posee magnitud, dirección, y sentido), por lo tanto las leyes de la física no son validas, sin embargo como la variación de la velocidad es pequeña, los efectos de esta son despreciable, y puede tomarse a la tierra con bastante aproximación como un SISTEMA DE COORDENADA INERCIAL (Lo mismo se aplica al Sol, el cual gira dentro de la galaxia).

La victoria de Copérnico sobre  Tolomeo,  solo se debe a que el sistema de coordenadas rígidamente unida al sol se asemeja más a un SISTEMA DE COORDENADA INERCIAL, que un sistema de coordenadas rígidamente unida al planeta tierra. 
!Tenemos toda las leyes de la física, pero no tenemos el SISTEMA DE COORDENADA en donde son validas estas...¡,  ahora se puede apreciar en perspectiva el grave problema que enfrento Einstein cuando trabajo en la formulación de la TEORIA GENERAL DE LA RELATIVIDAD, aun cuando el objetivo era demasiado simple; "formular las leyes de la relatividad para que sean validas en todos los sistemas de coordenadas". 

GALILEO GALILEI quien puso sobre el tapete los SISTEMAS DE COORDENADAS INERCIALES, también le dio la pista a Einstein para resolver el problema de los mismos, tomando como base su famoso experimento de la torre de pisa (algunos dicen que solo es un mito), donde dejo caer al mismo tiempo dos cuerpos de diferente masas, comprobando que los dos llegan al piso en el mismo instante, deduciendo que los cuerpos son atraídos por la gravedad con igual aceleración, por lo que la fuerza de atracción es mayor para cuerpos con mayores masas. Esto también significa que la MASA GRAVITACIONAL es igual a la MASA INERCIAL, hecho que ante de Einstein se tomo como una simple coincidencia.

Para poder ver por que la clave de la igual entre la MASA INERCIAL y la MASA GRAVITACIONAL en el problema de extender la valides de las leyes de la relatividad a cualquier SISTEMA DE COORDENADAS, vamos a plantear el siguiente experimento mental:

Vamos a suponer un ascensor situado a una altura considerable de la tierra, en donde la gravedad es un tercio de la que hay en la superficie de la tierra. Este se encuentra dentro de una caja que lo contiene, además se le realizo un vacio, ambos serán transparente (un observador fuera de la caja puede ver lo que pasa dentro del ascensor).

Dentro de dicho ascensor hay una persona que nació y se crio en él, también hay un observador exterior. Cuando el ascensor está inmóvil, el hombre dentro del ascensor tira una manzana, y este ve caer la misma y dirá que existe un campo gravitatorio que la atrae hacia el piso del ascensor, el observador exterior también estará de acuerdo con dicha apreciación. Ahora soltamos al ascensor y lo dejamos en caída libre.

El observador interior suelta una manzana, sin embargo esta no cae al piso (el ascensor, el hombre y la manzana caen con la misma aceleración), entonces dirá que ya no existe un campo gravitacional, sin embargo para el observador exterior solo se ha soltado al ascensor dentro de un campo gravitacional.

El observador interior vera que si empuja la manzana y la suelta, esta se desplaza en movimiento rectilíneo uniforme hasta que choca con una pared del ascensor, entonces dirá estoy en un SISTEMA DE COORDENADAS INERCIALES, sin embargo sabemos que llegara un momento que el ascensor chocara con el suelo, se destruirá el ascensor y morirá el observador interior, es decir tenemos un SISTEMA DE COORDENADA INERCIAL acotado en el tiempo y en el espacio, es como tener una edición de bolsillo de un sistema de coordenadas inerciales.

Ahora si tomamos el ascensor y lo llevamos a un lugar donde no haya gravedad y este ubicado en el completo vacio, y mediante una cuerda atada al ascensor tiramos hacia arriba, el observador interior dirá, al momento que tiramos la cuerda, que se encuentra dentro de un campo gravitatorio, ya que la manzana que tenía en reposo, cae hacia al piso, además sus zapatos tocan el piso del ascensor, el observador exterior dirá que no existe ningún campo gravitacional, solo estoy tirando para arriba la cuerda.

Pareciera que no hay manera de zanjar tal situación, sin embargo probaremos realizando un agujero lateral al ascensor y emitimos un rayo de luz.

 

El rayo de luz seguirá la trayectoria B, de acuerdo al observador exterior (la curvatura esta exagerada), debido a que desde que entra la luz  y llega a la pared antagónica, transcurre un breve instante de tiempo, por lo tanto a luz debe llegar al punto B, ya que el ascensor se desplaza hacia arriba.

El observador interior dice, el ascensor no se mueve solo hay un campo gravitatorio por lo que la luz sigue la trayectoria A.

Parece que ahora podemos decidir cuál de los dos observadores tenía razón, sin embargo, si el observador interior tiene en cuenta la TEORIA DE LA RELATIVIDAD RESTRINGIDA, la luz es energía por lo tanto tiene una masa equivalente y por lo tanto dicho rayo se curva con la acción de un campo gravitatorio, que sería la trayectoria B, por lo que los dos observadores deberían coincidir en su apreciación. 

En el caso de la caída libre del ascensor tendríamos.

En este caso el observador exterior esperaría que la luz siguiera la trayectoria B, sin embargo como existe un campo gravitatorio la luz se curva ratificando la trayectoria y se haría recta, igual a lo que ve el observador interior.

De lo expuesto anteriormente, se tiene que un campo gravitacional es la herramienta que permite transformar un sistema en MOVIMIENTO ACELERADO, en un sistema de COORDENADAS INERCIALES, es decir que la gravedad es la manera que tiene la naturaleza de convertir un sistema no inercial en inercial, y viceversa, esto es gracia a la igualdad de las MASAS INERCIAL y GRAVITACIONAL.
Ahora nos preguntamos ¿QUE ES LA GRAVEDAD?. Para poder tener una idea de ello, realizaremos otra especulación mental, utilizando para ello el ascensor  en caída libre, sin embargo en este caso lo ensancharemos tanto que casi es igual al ancho de la tierra.

Situamos dos pelotas a la misma altura, A y B, y dos pelotas mas, una a una altura menor y otra a una altura mayor, 1 y 2, formando un cuadrilátero imaginario (sin conexiones entre ellos). A continuación soltamos el ascensor y este se dirige a la tierra en caída libre, vemos que en el instante cuando casi llega a la tierra, lo único que se observa es que las pelotas A y B se acercan, ya que caen en dirección al centro de la tierra, además las pelotas 1 y 2, se alejan, ya que la pelota situada a menor altura posee una aceleración gravitacional mayor en relación a las pelotas A, B, y 2, además las pelota 2 tiene una aceleración gravitacional menor que las pelotas A, B, y 1. Cabe recordar que la aceleración de la gravedad depende de la altura.

Del experimento anterior podemos deducir que lo único que observamos es que cambio la disposición espacial de las pelotas en cuestión, no sucede nada raro, no hay fuerzas, etc., esta situación es parecida a la que tenemos si dos aviones despegan del ecuador con rumbo al Polo Norte y volando a la misma altura, en dicho polo se cruzan sus direcciones de vuelo, esto se debe a que vuelan paralelos a una superficie curva.

   

Es decir que los cuerpos caen hacia la tierra de la misma manera que si el espacio estuviera curvado, lo que permite deducir que la gravedad produce solamente una distorsión del espacio, y recordando que el espacio y el tiempo es un continuo, también se distorsiona el tiempo.

La gravedad no es una fuerza como la describe Newton, es solo geometría del espacio y del tiempo, donde la geometría no es la euclidiana que se enseña en las escuelas y en los colegios secundarios, donde la suma de los ángulos de un triangulo no da 180 grados, tampoco la suma de los ángulos de un cuadrado es 360 grados, puede ser menor o mayor.
Con estas ideas y luego de un trabajo arduo, Einstein el 25 de Noviembre de 1915 realizo una serie de conferencias en la Biblioteca Pública Prusiana con las ecuaciones que dan forma a su teoría de la RELATIVIDAD GENERAL, dando a la vida a una de las mayores creación de la mente humana en el siglo XX.

Einstein tuvo que utilizar una matemática casi desconocida para la mayoría de los físicos en ese entonces, la matemática no euclidiana creada en el siglo XVIII por un matemático Alemán llamado Georg Friedrich Bernhard Riemann, sin estas, no hubiera podido dar un tratamiento matemático a la teoría.

Se hace necesario recalcar que la teoría de la relatividad que marco un hito en la ciencia, a lo mismo que la teoría de la gravedad de Newton, necesitaron de conceptos matemáticos diferentes a los que se venían usando normalmente, por ejemplo Newton tuvo que inventar (paralelamente al Alemán  Gottfried Wilhelm Leibniz) el cálculo diferencial para poder dar sustento matemático a sus ideas (o mejor dicho a las de Galileo Galilei).

La ciencia no tiene posibilidad de crecer si no se desarrolla la matemática, ya que es el lenguaje con el que se expresa la naturaleza, es por ello que no se entiende la inexistencia de un PREMIO NOBEL de matemáticas (salvo, como dicen la chusma, que al Químico Alfred Bernhard NobeL ,su mujer lo engañaba con un matemático, por eso no los incluyó en su legado del premio).

Einstein partió de un problema entre el electromagnetismo y la física clásica, no se animo a retocar las sagradas ecuaciones de Maxwell para zanjar el problema, por lo que termino elaborando una nueva teoría donde el espacio y el tiempo puede distorsionarse, la masa es equivalente a la energía, y donde no existe LA FUERZA DE LA gravedad, solo tenemos distorsiones del espacio y el tiempo.
El electromagnetismo también puso en problema a la física clásica en cuanto a la descripción del mundo de las partículas elementales, ya que la primera idea del átomo con electrones girando alrededor del núcleo, tuvo que dejarse de lado, porque al girar los electrones según las ecuaciones de Maxwell, estos irradiaban ondas electromagnéticas y por ende energía, , cayendo rápidamente  en espiral hacia el núcleo. En este problema tampoco se animaron a retocar las sagradas ecuaciones de Maxwell, y se termino elaborando una nueva y misteriosa física, que llega hasta el extremo de poner en duda los conceptos de CAUSA y EFECTO. Es tan intrigante la FISICA CUANTICA, que cualquier persona que tenga conocimiento de fisica o matematica queda altamente fascinado al comenzar a profundizar en ella, sin embargo esto es harina de otro costal.

ACLARACION

Este articulo tiene como objetivo mostrar sin recurrir a formulas matemática una teoría, por lo que todos los conceptos fueron sacados de algún libros, y a veces, por cuestión de redacción se adopto oraciones o párrafos que figuran en ellos, ya que estos libros antes de ser editados tuvieron trabajando a personas exclusivamente para que corrigieran la redacción y la ortografía, cosa que a la mayoría de de los Ingenieros nos cuesta una enormidad. Menciono esta aclaración ya que es seguro que alguien va a comentar que copie punto y coma de algún libro, como si yo estuviera cometiendo un plagio (en vez de escribir una "reverenda bosta", escriba una "gran mierda" como figura en un libro).

Si hubiera explicado la teoría mediante el desarrollo de formulas matemáticas, estoy seguro que algún trasnochado va a comentar que copie hasta los signos, letras, y notaciones de algún libro. Por supuesto que tendría toda la razón ya que fue Einstein quien formulo la TEORIA DE LA RELATIVIDAD, yo solo la estoy tratando de explicarlo sin usar matemáticas, por lo que no pretendo llevarme ningún laurel por las ideas y conceptos que aquí figuran.

 

 Por el Ingeniero Civil Alfredo Perullini