¿Cómo sería cabalgar sobre un rayo de luz?


Albert Einstein, fue un físico alemán que formuló “La Teoría general y restringida de la Relatividad” e hipótesis sobre la naturaleza corpuscular[1] de la luz.

Nació en Ulm el 14 de marzo de 1879 y pasó su juventud en Munich, donde su familia poseía un pequeño taller de máquinas eléctricas. En 1894,  su familia se trasladó a Milán, Italia, a causa del hundimiento de los negocios de su padre. Albert decidió abandonar la escuela. Pasó un año con sus padres en Milán y viajó a Suiza, donde terminó los estudios secundarios e ingresó en el Instituto Politécnico Nacional de Zurich.

Después de muchos trabajos inestables como profesor, en 1902, consiguió un trabajo como en la Oficina Suiza de Patentes en Berna.

Un año después, se casó con Mileva Maric, una compañera de clase del Poli. Hans Albert, su primer hijo, nació en 1904.

Durante su trabajo en la Oficina de Patentes, además de dominar su trabajo de examinar solicitudes de patentes, Einstein desarrollaba sus estudios sobre algunos temas como las propiedades físicas de la luz. Albert, muchas veces se reunía en su casa con sus amigos para discutir sobre diversos temas, en especial, sobre sus hipótesis. Esto tuvo gran importancia para él porque veía en tales reuniones una oportunidad de desarrollar sus ideas y confrontarlas con el intelecto de sus amigos.

Einstein tuvo una pregunta en su juventud: “¿Cómo sería cabalgar sobre un rayo de luz?”. La idea no lo dejaba dormir y fue su motivación para un día proponer la “Teoría General de la Relatividad”. Su pregunta fue el marco introductorio de diferentes ensayos para diferentes diarios y revistas científicas.

La Teoría de la Relatividad. Sus primeros años.

Partiendo de su pregunta, Einstein consideró la situación de un observador en reposo, con las ondas de luz pasando junto a él. El observador vería un esquema regular de crestas y valles moviéndose a través del espacio. Si el observador acelerara su velocidad hasta alcanzar la del rayo, el esquema de ondas desaparecería de la perspectiva del observador, pero seguiría ahí según las ecuaciones de Maxwell[2].

Éste primer artículo se llamó “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento” e introdujo el principio que luego sería famoso como Relatividad. Einstein comenzaba postulando la velocidad de la luz como una constante dentro de sus hipótesis, luego, hacía posibles múltiples observadores lo que se oponía al concepto de Newton sobre Movimiento Uniforme Absoluto.

Los posteriores ensayos de Einstein exponían postulados que se invalidaban el espacio y el tiempo absolutos. Estos no son valores fijos porque se determinan considerando el movimiento de su marco de referencia con relación al observador. Esas variaciones son más notables en situaciones en las que un vehículo (observador dentro) viaja a velocidades similares o equivalentes a la de la luz. Imagen 1.

Demostró, con base en los fundamentos de la velocidad constante de la luz y la relatividad del espacio y del tiempo, que cuando un objeto se mueve a velocidades cercanas a la de la luz,  su masa se incrementa proporcionalmente a su energía cinética. Según lo anterior, concluyó que la masa y la energía son intercambiables entre sí; y expresó esto en su famosa ecuación E=mc2. (E, energía contenida en un objeto; M, masa; y C, velocidad de la luz).

La Teoría de Einstein fue comprobada con experimentos en los cuales se aceleraban partículas radiactivas de alta energía. Éstas, luego de ser aceleradas, fueron medidas comprobando su aumento de masa. Recibió numerosos elogios de renombrados físicos como Marie Curie y Max Planck.

En 1909, Albert Einstein abandona su puesto en la Oficina de Pantentes para dedicarse por completo al estudio y enseñanza de sus teorías. Gracias a Max Planck, aceptó, en 1914, un puesto como profesor de la Universidad de Berlín y como director del Instituto de Física Kaiser Wilhelm.

La Teoría de Albert Einstein estaba todavía muy limitada. El físico, estuvo trabajando durante una década para ampliar los alcances de su teoría, la cual se aplicaba originalmente a sistemas en movimiento uniforme dejando por fuera el movimiento no uniforme y la posterior ampliación de las leyes de la física de modo que fueran las mismas para todos los sistemas (acelerados como uniformes). Con el fin de lograrlo, tendría que examinar la relación producida por la gravedad y la generada por otras fuerzas.

Einstein diseñó en su imaginación un “cajón espacioso parecido a una habitación” que viajaba por el espacio a velocidad constante, lejos de cualquier estrella o planeta, su contenido aparte de ser un observador sería ingrávido[3], flotaría libremente; no habría ni techo ni suelo, sólo paredes. Al aplicar una fuerza constante, el cajón aceleraría uniformemente, y una de las paredes apretaría su contenido. Desde los ojos del observador de dentro del recipiente (cajón), ésta pared se convertiría en suelo. Ésta fuerza de empuje podría sentirse como el empuje que cualquiera puede sentir en la superficie de la Tierra. El observador no puede distinguir de qué fuerza viene el empuje: si de la aceleración o de la gravitación. Por lo tanto, son equivalentes. Imagen 2.

Éste principio, denominado por Einstein como el “Principio de Equivalencia”, fue dado a conocer por primera vez en 1911 y era la premisa fundamental de la “Teoría De La Relatividad General”, luego conocida como “Teoría De La Relatividad Especial” cuatro años más tarde. Durante este período intermedio, Albert Einstein desarrolló, llegando al límite de sus capacidades, descripciones matemáticas de la interacción entre materia, radiación, y fuerzas gravitatorias. Éste hecho lo llevo a solicitarle ayuda a su amigo y profesor de matemáticas del “Poli” de Zurich, Marcel Grossmann.

Grossmann, introdujo a Einstein en la obra del matemático alemán del siglo XIX, Bernhard Riemann, la cual contenía las herramientas de cálculo que Einstein necesitaba para desarrollar sus teorías.

Einstein requería de la Geometría no Euclidiana en razón de que su teoría general se basaba en curvas. La Teoría predecía que cualquier cuerpo masivo, a causa de su atracción gravitatoria, curvaría la trayectoria de cualquier cosa que pasara cerca de él. Lo revolucionario de ésta afirmación estaba en que Einstein aplicaba éste cambio en la trayectoria también a la luz como cuando viajaba por las inmediaciones de una estrella. La Relatividad General intentaba dar una explicación de todos los fenómenos físicos, como también la forma en que la luz sigue el camino más corto entre dos puntos. Imagen 3.

La Relatividad y el Espacio.

El espacio curvo se puede expresar mejor con base en la superficie de una esfera (analogía bidimensional) porque la geometría de una superficie no se aplica a una curva. Por ejemplo, las líneas paralelas  en una superficie plana nunca se encuentran, por otro lado, en una superficie curva como una esfera, siempre se encuentran.

La Relatividad General describe el Universo bajo el concepto de cuatro dimensiones: tres en el espacio y una en el tiempo; la gravedad es una propiedad geométrica de este espacio-tiempo tetradimensional.

Newton dijo que la masa del Sol generaba una gravedad que hace que los planetas se muevan alrededor de él en trayectorias curvas. Por otro lado, Einstein describió el mismo fenómeno al afirmar que la masa del sol comba el espacio-tiempo; los planetas siguen la trayectoria orbital porque se están moviendo a lo largo de las geodésicas[4] del entramado cósmico, los caminos más cortos en el curvo espacio-tiempo.

La Teoría de la Relatividad General se encuentra aplicada al perihelio de Mercurio que avanza cada año de manera mayor a la predicha por Newton por lo que se erradicó con la creencia de muchos científicos sobre la posibilidad de la existencia de un planeta entre Mercurio y el Sol. La nueva teoría de la Gravedad de Einstein (la del tramado cósmico y su combado cuando un objeto de gran masa se encuentra sobre él) parece explicar el misterio de la órbita de Mercurio como una consecuencia del espacio intensamente curvado en las inmediaciones del Sol. Éste hecho confirmó su teoría y le dio grandes satisfacciones. Imagen 4.

Probando la Teoría de la Relatividad.

A finales de 1916, Albert Einstein envió a la Royal Astronomical Society de Inglaterra el primero de tres ensayos para la publicación en su periódico: La relatividad: la teoría especial y restringida. Artur Eddington, astrofísico y secretario de la Royal Astronomical Society, se encargó personalmente de leer los ensayos de Einstein con objetividad, algo muy raro en la comunidad científica inglesa que tenía muchos prejuicios frente a los científicos alemanes.

Eddington halló a Frank Dyson, el astrónomo real británico y alguien con gran influencia en las altas esferas de la sociedad inglesa. Los dos planearon una expedición al siguiente eclipse total de sol para probar la teoría de Einstein.

El eclipse sucedió el 29 de mayo de 1919, cuando el Sol pasó frente a las Híadas, un denso conjunto de estrellas de la constelación de Tauro. El grupo expedicionario se dividió en dos: El de Eddington se dirigió a Isla Príncipe, en la costa oeste de África; el segundo, conducido por otros dos astrónomos británicos, viajó a Sobral, Brasil.

El mundo se encontraba en las etapas finales de la Gran Guerra, un armisticio fue firmado entre Inglaterra y Alemania (noviembre de 1918). Las expediciones consiguieron las fotos, fueron evaluadas. La conclusión de Eddington que defendía la Teoría de Einstein, había quedado confirmada.

El primero que anunció a Einstein del triunfo de las Expediciones en África y Suramérica, y del triunfo de la Teoría, fue de su colega H.A. Lorentz.

El 6 de Noviembre de 1919, Dyson hizo oficial en un informe público a la Royal Society de Londres lo siguiente: las expediciones británicas habían demostrado las hipótesis de Darwin, la desviación de la luz cerca del sol. Albert Einstein obtuvo reconocimiento instantáneo mundialmente.

En 1921, Albert Einstein gana el premio Nobel de Física.

Implicaciones de la relatividad general frente al Universo como un todo.

Einstein, después de su éxito, siguió sus investigaciones más enfocado a las implicaciones de la relatividad general frente al universo como un todo. Einstein afirmaba que el universo sí tenía límites y basándose en la Geometría no euclidiana, propuso otra posibilidad: un Universo Curvo o esférico. Imagen 5.

Un observador que viaje a través del universo esférico es incapaz de percibir la tercera dimensión vertical pudiendo viajar a cualquier lado de la esfera sin encontrar nunca un borde; incluso pueden regresar al punto de partida desde la dirección opuesta.  La superficie de la esfera no tiene límite ni centro, si embargo es finita; lo mismo puede aplicarse en el espacio tiempo tetradimensional.

Otra percepción que afecta la del universo de Einstein viene dada por la masa y la gravedad, que modifican su tramado en valles o crestas. Imagen 6 y 7.

Ésta percepción de Einstein sobre un universo finito y estático pero curvo o esférico parecía no ser completamente coherente con su Teoría de la Relatividad. Todos sus cálculos  indicaban que el universo debía estar en constante expansión o contracción.

Las teorías que contradecían la concepción espacial de Einstein venían principalmente de Alexander Friedmann, un matemático ruso de la Academia de Ciencias de Petrogrado (hoy Leningrado), publicó un ensayo en 1922 desafiando la afirmación de Albert Einstein, Friedmann demostró que el cosmos  o bien se expande indefinidamente o terminará colapsándose, según su masa.

El trabajo de Friedmann fue publicado en un periódico de física alemán en 1922. Einstein publicó un ensayo respondiendo. Pero un año más tarde, había reconsiderado su postura aceptando que las soluciones de Friedmann eran matemáticamente correctas pero que no tenían validez física. Se seguía necesitando algo para producir un universo curvo. Tal vez, la constante cosmológica[5].

La Vida de Albert Einstein en fechas. (Tabla tomada de GISPERT, Carlos y otros. Grandes Biografías. Tomo 4. Editorial Océano. Pág. 619.)

1879 17 de mayo: ALBERT EINSTEIN nace en Ulm, Alemania en el seno de una familia judía.
1896 Estudia en el Estudio Politécnico de Zurich.
1900 Adopta la nacionalidad suiza. Se casa con Milena Maric.
1902 Obtiene un trabajo en la Oficina Confederal de la Propiedad Intelectual de Berna.
1905 Formula la teoría de la relatividad restringida.
1913 Profesor del Instituto Kaiser Wilhelm de Berlín. Ingresa en la Academia de Ciencias de Prusia.
1916 Publica “Fundamentos de la teoría de la relatividad generalizada”.
1919 2 de junio: se casa en segundas nupcias con su prima Elsa.
1921 Optiene el Premio Nobel de Física.
1933 Abandona Alemania a causa de las persecuciones en contra de los judíos.
1940 Es nombrado director del Instituto de Estudios Superiores de Princeton, New Jersey.
1952 Rechaza la presidencia del Estado de Israel.
1955 18 de abril: muere en Princeton a los 76 años.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bibliografía:

  • Viaje a Través del Universo. El Cosmos I. Tomo 7. Editorial TIME-LIFE Books. Ediciones Folio.
  • GISPERT, Carlos y otros. Autodidáctica Oceano Color. Tomo 4. Editorial Oceano. Barcelona. 1997.
  • GISPERT, Carlos y otros. Grandes Biografías. Tomo 4. Editorial Océano. Pág. 619.
  • “Albert Einstein.” Microsoft® Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007.

[1] Teoría Corpuscular: teoría en la cual la luz consiste de pequeñas partículas. Introducida originalmente por Newton.

[2] Requieren que las ondas electromagnéticas mantengan su naturaleza ondulatoria o sería imposible que el observador se moviera a la velocidad de la luz.

[3] Ingrávido: Cuerpo no sometido a las leyes de la gravedad.

[4] Referente a la figura y magnitud del globo terrestre o de gran parte de él.

[5] Valor aproximado dado por Einstein para adaptar sus ecuaciones a un universo curvo.

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