Cuando la teoría de la relatividad apareció a principios de 1900, puso patas arriba siglos de ciencia y dio a los físicos una nueva comprensión del espacio y el tiempo. Isaac Newton veía el espacio y el tiempo como algo fijo, pero en la nueva imagen que proporcionaban la relatividad especial y la relatividad general eran fluidos y maleables.
¿Quién ideó la teoría de la relatividad?
Albert Einstein. Publicó la primera parte de su teoría -la relatividad especial- en la revista alemana de física Annalen der Physik en 1905 y no completó su teoría de la relatividad general hasta después de otra década de difícil trabajo. Presentó esta última teoría en una serie de conferencias en Berlín a finales de 1915 y la publicó en los Annalen en 1916.
¿Qué es la relatividad especial?
La teoría se basa en dos conceptos clave.
- En primer lugar, el mundo natural no permite marcos de referencia «privilegiados». Mientras un objeto se mueva en línea recta a velocidad constante (es decir, sin aceleración), las leyes de la física son las mismas para todos. Es un poco como cuando miras por la ventanilla de un tren y ves que un tren adyacente parece moverse, pero ¿se está moviendo él o tú? Puede ser difícil saberlo. Einstein reconoció que si el movimiento es perfectamente uniforme, es literalmente imposible de decir – e identificó esto como un principio central de la física.
- En segundo lugar, la luz viaja a una velocidad invariable de 186.000 millas por segundo. Independientemente de la velocidad a la que se mueva un observador o de la velocidad a la que se mueva un objeto emisor de luz, una medición de la velocidad de la luz siempre arroja el mismo resultado.
A partir de estos dos postulados, Einstein demostró que el espacio y el tiempo están entrelazados de una forma que los científicos nunca habían comprendido. Mediante una serie de experimentos mentales, Einstein demostró que las consecuencias de la relatividad especial son a menudo contraintuitivas, incluso sorprendentes.
Si vas a toda velocidad en un cohete y te cruzas con un amigo que va en un cohete idéntico pero más lento, por ejemplo, verás que el reloj de tu amigo va más despacio que el tuyo (los físicos lo llaman «dilatación del tiempo»).
Además, el cohete de tu amigo parecerá más corto que el tuyo. Si tu cohete se acelera, tu masa y la del cohete aumentarán. Cuanto más rápido vayas, más pesadas serán las cosas y más resistirá tu cohete a tus esfuerzos por hacerlo ir más rápido. Einstein demostró que nada que tenga una masa puede alcanzar la velocidad de la luz.
Otra consecuencia de la relatividad especial es que la materia y la energía son intercambiables a través de la famosa ecuación E = mc² (en la que E representa la energía, m la masa y c² la velocidad de la luz multiplicada por sí misma). Dado que la velocidad de la luz es un número tan grande, incluso una pequeña cantidad de masa equivale a una gran cantidad de energía y puede convertirse en ella. Por eso las bombas atómicas y de hidrógeno son tan potentes.
¿Qué es la relatividad general?
Esencialmente, es una teoría de la gravedad. La idea básica es que en lugar de ser una fuerza invisible que atrae a los objetos entre sí, la gravedad es una curvatura o deformación del espacio. Cuanto más masivo es un objeto, más deforma el espacio que lo rodea.
Por ejemplo, el sol es lo suficientemente masivo como para deformar el espacio a través de nuestro sistema solar – un poco como la forma en que una pelota pesada que descansa en una hoja de goma deforma la hoja. Como resultado, la Tierra y los demás planetas se mueven en trayectorias curvas (órbitas) a su alrededor.
Esta deformación también afecta a las mediciones del tiempo. Tendemos a pensar que el tiempo transcurre a un ritmo constante. Pero al igual que la gravedad puede estirar o deformar el espacio, también puede dilatar el tiempo. Si tu amigo sube a la cima de una montaña, verás que su reloj va más rápido que el tuyo; otro amigo, en el fondo de un valle, tendrá un reloj más lento, debido a la diferencia en la fuerza de la gravedad en cada lugar. Los experimentos posteriores demostraron que esto es así.
¿Cómo es la relatividad «bajo el capó»
La relatividad especial es, en definitiva, un conjunto de ecuaciones que relacionan el aspecto de las cosas en un marco de referencia con el aspecto en otro: el estiramiento del tiempo y el espacio, y el aumento de la masa. Las ecuaciones no implican nada más complicado que las matemáticas de la escuela secundaria.
La relatividad general es más complicada. Sus «ecuaciones de campo» describen la relación entre la masa y la curvatura del espacio y la dilatación del tiempo, y suelen enseñarse en los cursos universitarios de física de posgrado.
Pruebas de la relatividad especial y general
Durante el último siglo, muchos experimentos han confirmado la validez tanto de la relatividad especial como de la general. En la primera prueba importante de la relatividad general, los astrónomos midieron en 1919 la desviación de la luz de estrellas lejanas al pasar por nuestro sol, demostrando que la gravedad, de hecho, distorsiona o curva el espacio.
En 1971, los científicos probaron ambas partes de la teoría de Einstein colocando relojes atómicos sincronizados con precisión en aviones de pasajeros y haciéndolos volar alrededor del mundo. Una comprobación de los relojes después de que los aviones aterrizaran mostró que los relojes a bordo de los aviones funcionaban un poco más lento (menos de una millonésima de segundo) que los relojes en tierra.
La disparidad era el resultado de la velocidad de los aviones (un efecto de relatividad especial) y su mayor distancia del centro del campo gravitatorio de la Tierra (un efecto de relatividad general).
En 2016, el descubrimiento de las ondas gravitacionales -sutiles ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo- fue otra confirmación de la relatividad general.
La relatividad en la práctica
Aunque las ideas detrás de la relatividad parecen esotéricas, la teoría ha tenido un enorme impacto en el mundo moderno.
Las centrales nucleares y las armas nucleares, por ejemplo, serían imposibles sin el conocimiento de que la materia puede transformarse en energía. Y nuestra red de satélites GPS (sistema de posicionamiento global) necesita tener en cuenta los sutiles efectos de la relatividad especial y general; si no lo hicieran, darían resultados que se alejarían varios kilómetros.
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