Filosofía, Ciencia e Política

TEORIA DA RELATIVIDADE

Introdución Desde os tempos do matemático e físico inglés Isaac Newton, os filósofos das ciencias naturais (nome que recibían os físicos e químicos) intentaran comprender a natureza da materia e a radiación, e a súa interacción nalgúns modelos unificados do mundo. A hipótese que sostiña que as leis mecánicas eran fundamentais denominouse visión mecánica do mundo. A hipótese que mantiña que eran as leis eléctricas as fundamentais recibiu o nome de visión electromagnética do mundo. Ningunha das dúas concepcións era capaz de explicar con fundamento a interacción da radiación (por exemplo, a luz) e a materia ao ser observadas desde diferentes sistemas de inercia de referencia, ou sexa, a interacción producida na observación simultánea por unha persoa parada e outra movéndose a unha velocidade constante. Na primavera de 1905, tras reflexionar sobre estes problemas durante dez anos, Einstein deuse conta de que a solución non estaba na teoría da materia senón na teoría das medidas. No fondo da súa teoría restrinxida da relatividad atopábase o achado de que toda medición do espazo e do tempo é subxectiva. Isto levoulle a desenvolver unha teoría baseada en dúas premisas: o principio da relatividade, segundo o cal as leis físicas son as mesmas en todos os sistemas de inercia de referencia, e o principio da invariabilidade da velocidade da luz, segundo o cal a velocidade da luz no baleiro é constante. Deste xeito puido explicar os fenómenos físicos observados en sistemas de inercia de referencia distintos, sen ter que entrar na natureza da materia ou da radiación e a súa interacción, pero ninguén entendeu o seu razoamento. Antes de deixar a oficina de patentes, en 1907, Einstein xa traballaba na extensión e xeneralización da teoría da relatividade a todo sistema de coordenadas. Empezou co enunciado do principio de equivalencia segundo o cal os campos gravitacionales son equivalentes ás aceleracións do sistema de referencia. Deste xeito, unha persoa que viaxase nun elevador ou ascensor non podería en principio determinar se a forza que actúa sobre ela débese á gravitación ou á aceleración constante do ascensor. Esta teoría xeral completa da relatividade non foi publicada ata 1916. De acordo con ela, as interaccións entre os corpos, que ata entón se atribuían a forzas gravitacionais, explícanse pola influencia daqueles sobre a xeometría espazo-tempo (espazo de catro dimensións, unha abstracción matemática na que o espazo únese, como cuarta dimensión, ás tres dimensións euclidianas). Baseándose na teoría xeral da relatividade, Einstein puido entender as variacións ata entón inexplicables do movemento de rotación dos planetas e logrou predicir a inclinación da luz das estrelas ao aproximarse a corpos como o Sol. A confirmación deste fenómeno durante unha eclipse de Sol en 1919 foi toda unha noticia e a súa fama estendeuse polo mundo. Teoría da relatividade especial En 1905, Einstein publicou o primeiro de dous importantes artigos sobre a teoría da relatividade, no que eliminaba o problema do movemento absoluto negando a súa existencia. Segundo Einstein, ningún obxecto do Universo distínguese por proporcionar un marco de referencia absoluto en repouso en relación ao espazo. Calquera obxecto (por exemplo, o centro do Sistema Solar) proporciona un sistema de referencia igualmente válido, e o movemento de calquera obxecto pode referirse a ese sistema. Así, é igual de correcto afirmar que o tren desprázase respecto da estación como que a estación desprázase respecto ao tren. Este exemplo non é tan absurdo como parece a primeira vista, porque a estación tamén se move debido ao movemento da Terra sobre o seu eixo e á súa rotación en torno ao Sol. Segundo Einstein, todo o movemento é relativo. Ningunha das premisas básicas de Einstein era revolucionaria; Newton xa afirmara que o repouso absoluto non pode determinarse a partir da posición dos corpos nas nosas rexións. O revolucionario era afirmar, como fixo Einstein, que a velocidade relativa dun raio de luz respecto de calquera observador é sempre a mesma, aproximadamente uns 300.000 km/s. Aínda que dous observadores móvanse a unha velocidade de 160.000 km/s un respecto ao outro, se ambos miden a velocidade dun mesmo raio de luz, os dous determinarán que se despraza a 300.000 km/s. Este resultado aparentemente anómalo quedaba demostrado no experimento de Michelson-Morley. Segundo a física clásica, só un dos dous observadores como moito podía estar en repouso, mentres que o outro cometía un erro de medida debido á contracción de Lorentz-Fitzgerald experimentada polos seus aparellos; segundo Einstein, ambos os observadores teñen o mesmo dereito a considerarse en repouso e ningún dos dous comete un erro de medida. Cada observador emprega un sistema de coordenadas como marco de referencia para as súas medidas, e un sistema pode transformarse noutro mediante unha manipulación matemática. As ecuacións desta transformación, coñecidas como ecuacións de transformación de Lorentz, foron adoptadas por Einstein, aínda que as interpretou de forma radicalmente nova. A velocidade da luz permanece invariante en calquera transformación de coordenadas. Segundo a transformación relativista, non só se modifican as lonxitudes na dirección do movemento dun obxecto, senón tamén o tempo e a masa. Un reloxo que se desprace en relación a un observador parecería andar máis lento e calquera obxecto material parecería aumentar a súa masa, en ambos os casos nun factor igual ao factor ð (gamma maiúsculo), inverso do factor. O electrón, que acababa de descubrirse, proporcionaba un método para comprobar esta última suposición. Os electróns emitidos por sustancias radioactivas teñen velocidades próximas á da luz, co que o factor ð podería chegar a ser de 2 e a masa do electrón duplicaríase. A masa dun electrón en movemento pode determinarse con facilidade medindo a curvatura da súa traxectoria nun campo magnético; canto máis pesado sexa o electrón, menor será a curvatura da súa traxectoria para unha determinada intensidade do campo. Os experimentos confirmaron espectacularmente a predición de Einstein; o electrón aumentaba de masa exactamente no factor que el predixera. A enerxía cinética do electrón acelerado converteuse en masa de acordo coa fórmula: A hipótese fundamental na que se baseaba a teoría de Einstein era a inexistencia do repouso absoluto no Universo. Einstein postulou que dous observadores que se moven a velocidade constante un respecto doutro observarán unhas leis naturais idénticas. Con todo, un dos dous podería percibir que dous feitos en estrelas distantes ocorreron simultaneamente, mentres que o outro acharía que un ocorreu antes que outro; esta disparidade non é de feito unha obxección á teoría da relatividad porque segundo esta teoría, a simultaneidade non existe para acontecementos distantes. Noutras palabras, non é posible especificar de forma unívoca o momento en que ocorre un feito sen unha referencia ao lugar onde ocorre. Toda partícula ou obxecto do Universo descríbese mediante unha chamada `liña do universo', que traza a súa posición no tempo e o espazo. Cando se cruzan dous ou máis liñas do universo, prodúcese un feito ou suceso. Se a liña do universo dunha partícula non cruza ningunha outra liña do universo, non lle ocorre nada, polo que non é importante ?nin ten sentido? determinar a situación da partícula en ningún instante determinado. A `distancia' ou `intervalo' entre dous sucesos calquera pode describirse con precisión mediante unha combinación de intervalos espaciais e temporais, pero non mediante un só. O espazo-tempo de catro dimensións (tres espaciais e unha temporal) onde teñen lugar todos os sucesos do Universo denomínase continuo espazo-tempo. Todas as afirmacións anteriores son consecuencias da relatividad especial ou restrinxida, nome aplicado á teoría desenvolvida por Einstein en 1905 como resultado do seu estudo de obxectos que se moven a velocidade constante un respecto doutro. Invariabilidade da leis da física A teoría da relatividad de Einstein propuxo unha solución sinxela ás dificultades que presentaban algúns fenómenos físicos que non se puideron medir talles como a velocidade do éter con respecto á terra e a lei galileana de suma de velocidades no caso da luz e ao mesmo tempo altero por completo a nosa noción de espazo e tempo. Einstein fundamentou a súa teoría en dous postulados: 1.- O principio da relatividade.- Todas as leis da física son as mesmas en todos os marcos de referencia inerciais. 2.- A constancia da velocidade da luz.- A velocidade da luz no baleiro ten o mesmo valor c= 3 x 108 m/s, en todos os marcos inerciales, independentemente da velocidade do observador ou da velocidade da fonte que emite a luz. A invariabilidade das leis da física fundaméntase no primeiro postulado de Einstein. No que sostén que todas as leis da física, aquelas da mecánica, a electricidade e o magnetismo, a óptica, a termodinámica, etc., son as mesmas en todos os marcos de referencia que se moven con velocidade constante relativa entre si, é dicir, presentan unha invariabilidade pero tomando o marco de referencia adecuado. Este postulado é unha extensa xeneralización do principio da relatividade newtoniana que só se refire ás leis da mecánica. Desde un punto de vista experimental, o principio da relatividade de Einstein a que calquera tipo de experimento, efectuado nun laboratorio en repouso, debe dar o mesmo resultado que un que se move a velocidade constante respecto do primeiro. Polo tanto, non existe un marco de referencia privilexiado e é imposible detectar movemento absoluto, nin repouso absoluto.