Albert Einstein propuso la teoría de la relatividad especial en 1905.
La teoría de la relatividad especial es una teoría física propuesta por Albert Einstein en 1905. Describe cómo se comportan el espacio, el tiempo y la materia en ausencia de campos gravitatorios, es decir, en situaciones donde la gravedad es insignificante.
La teoría de la relatividad especial se basa en dos principios fundamentales: la invariancia Lorentz (que establece cómo se relacionan las mediciones de observadores que se mueven a velocidades relativas constantes entre sí) y la invariancia de la velocidad de la luz (que es independiente del movimiento del observador).
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ResumenFundamentos y postulados
Los siguientes dos postulados revolucionaron nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la materia, y sentaron las bases para la física moderna.
Principio de la relatividad
Establece que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores que se mueven a velocidad constante respecto a un sistema de referencia inercial. Esto significa que no importa cuál sea la velocidad a la que se mueva un observador, las leyes fundamentales de la física, como las leyes de la mecánica, la óptica y la electricidad, seguirán siendo las mismas para ellos.
Velocidad de la luz
La velocidad de la luz (c) en el vacío es una constante universal e invariable, independiente del movimiento del observador o de la fuente de luz. Esta idea desafió las concepciones clásicas del espacio y el tiempo, donde se creía que la velocidad de la luz debería sumarse o restarse a la velocidad de la fuente o del observador. Sin embargo, los experimentos realizados a lo largo del siglo XIX, como el famoso experimento de Michelson-Morley, no encontraron evidencia de esta variación en la velocidad de la luz.
La invariancia de la velocidad de la luz implica que los fenómenos relativistas como la dilatación temporal y la contracción longitudinal ocurren para mantener esta velocidad constante en todos los sistemas de referencia inerciales. Además, esta constante c, que es aproximadamente 299,792,458 metros por segundo en el vacío, es el límite superior de la velocidad a la que puede viajar cualquier información o materia en el universo.
La luz tiene una velocidad constante en el vacío.
Espacio-tiempo
El concepto de espacio-tiempo es fundamental en la teoría de la relatividad, tanto especial como general. Es una estructura matemática que combina las tres dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo en un continuo de cuatro dimensiones, donde los eventos físicos se describen en términos de coordenadas espacio-temporales.
Curvatura del espacio-tiempo
Según la teoría de la relatividad general, la presencia de materia y energía en el universo curva el espacio-tiempo a su alrededor. Esta curvatura es lo que percibimos como gravedad. La masa y la energía de un objeto determinan la curvatura del espacio-tiempo que lo rodea. Otros objetos en movimiento seguirán trayectorias curvas a lo largo de este espacio-tiempo curvado, como lo ilustra la famosa analogía de la tela elástica de Einstein. Cuanto más masivo sea un objeto, mayor será la curvatura que produce en el espacio-tiempo a su alrededor.
Espacio-tiempo absoluto
La idea de un espacio-tiempo absoluto, como lo postulaba la física clásica de Newton, es un marco de referencia fijo y absoluto en el cual el espacio y el tiempo son independientes entre sí y están separados. Según esta concepción, el tiempo transcurre de manera uniforme para todos los observadores, independientemente de su movimiento relativo. Sin embargo, la teoría de la relatividad especial de Einstein refutó la existencia de este espacio-tiempo absoluto, demostrando que el tiempo y el espacio están intrínsecamente entrelazados y pueden variar dependiendo del movimiento relativo del observador.
Redes de espacio-tiempo
En el contexto de la teoría de la relatividad general, se habla de las «redes» de espacio-tiempo para describir cómo la presencia de materia y energía distorsiona la geometría del espacio-tiempo en su entorno. Esto puede manifestarse en diversas formas, como la curvatura alrededor de objetos masivos como estrellas o agujeros negros, o en la expansión del universo a gran escala.
Masa
Masa en reposo
La masa de un objeto cuando está en reposo relativo con respecto al observador. Es una propiedad intrínseca, de manera que no cambia aunque este último se mueva.
Masa relativista
La masa de un objeto aumenta infinitamente a medida que su velocidad se aproxima a la velocidad de la luz, lo que impide que la alcance o la supere.
Partícula sin masa
Una partícula hipotética que no tiene masa en reposo, viaja siempre a la velocidad de la luz en el vacío y no puede estar en reposo. Un ejemplo común es el fotón, la partícula de luz. Aunque éste no tiene masa en reposo, tiene energía y cantidad de movimiento debido a su movimiento y su naturaleza ondulatoria.
Los fenómenos gravitacionales próximos a los agujeros negros son de interés para la gravedad cuántica.
Gravedad
Gravedad cuántica
Un área de investigación que busca unificar la teoría de la relatividad general con la mecánica cuántica, que describen la gravedad a gran escala y las fuerzas fundamentales a nivel subatómico, respectivamente. La gravedad cuántica intenta explicar fenómenos gravitacionales en escalas muy pequeñas, como los que ocurren cerca de los agujeros negros o en los primeros momentos del universo.
Dilatación temporal gravitacional
Según la teoría de la relatividad general, la presencia de campos gravitatorios intensos puede afectar la percepción del tiempo. Por ejemplo, el tiempo parece transcurrir más lentamente cerca de una masa grande como un agujero negro en comparación con regiones con menos gravedad.
Desplazamiento al rojo gravitacional
Un fenómeno predicho por la teoría de la relatividad general en el que la luz experimenta un cambio hacia longitudes de onda más largas (hacia el rojo) al salir de una región con un campo gravitatorio fuerte. Esto se debe al efecto de la gravedad en el espacio-tiempo, que estira las longitudes de onda de la luz. Se observa, por ejemplo, en la luz proveniente de estrellas que se acercan a agujeros negros o que están en órbitas gravitacionales.
Lente gravitacional
Un fenómeno en el que la luz de un objeto distante se desvía debido a la curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de una masa masiva, como una galaxia o un cúmulo de galaxias. Esto puede causar que la imagen del objeto distante se magnifique, se distorsione o se multiplique. La lente gravitacional es una herramienta importante para estudiar la distribución de la materia en el universo.
Ondas gravitacionales
Perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo que se propagan como ondas, llevando consigo energía. Son producidas por eventos cósmicos catastróficos, como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones. Las ondas gravitacionales fueron predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein en 1915 y fueron detectadas por primera vez en 2015.
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