En física , el principio de relatividad es el requisito de que las ecuaciones que describen las leyes de la física tengan la misma forma en todos los marcos de referencia admisibles .
Por ejemplo, en el marco de la relatividad especial las ecuaciones de Maxwell tienen la misma forma en todos los sistemas de referencia inerciales. En el marco de la relatividad general, las ecuaciones de Maxwell o las ecuaciones de campo de Einstein tienen la misma forma en sistemas de referencia arbitrarios.
Varios principios de la relatividad se han aplicado con éxito en toda la ciencia , ya sea implícitamente (como en la mecánica newtoniana ) o explícitamente (como en la relatividad especial y la relatividad general de Albert Einstein ).
Ciertos principios de la relatividad han sido ampliamente asumidos en la mayoría de las disciplinas científicas. Una de las más extendidas es la creencia de que cualquier ley de la naturaleza debe ser la misma en todo momento; y las investigaciones científicas generalmente suponen que las leyes de la naturaleza son las mismas independientemente de quién las mida. Este tipo de principios se han incorporado a la investigación científica en los niveles más fundamentales.
Cualquier principio de relatividad prescribe una simetría en la ley natural: es decir, las leyes deben parecer iguales para un observador que para otro. Según un resultado teórico llamado teorema de Noether , cualquier simetría de este tipo también implicará una ley de conservación al lado. [1] [2] Por ejemplo, si dos observadores en diferentes momentos ven las mismas leyes, entonces se conservará una cantidad llamada energía . Desde este punto de vista, los principios de la relatividad hacen predicciones comprobables sobre cómo se comporta la naturaleza.
Según el primer postulado de la teoría especial de la relatividad: [3]
Principio especial de la relatividad : Si se elige un sistema de coordenadas K de modo que, en relación con él, las leyes físicas se cumplan en su forma más simple, las mismas leyes se aplicarán en relación con cualquier otro sistema de coordenadas K' que se mueva en traslación uniforme relativamente. a k.
— Albert Einstein: Los fundamentos de la teoría general de la relatividad , Parte A, §1
Este postulado define un marco de referencia inercial .
El principio especial de la relatividad establece que las leyes físicas deben ser las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales , pero que pueden variar en los no inerciales. Este principio se utiliza tanto en la mecánica newtoniana como en la teoría de la relatividad especial . Su influencia en este último es tan fuerte que Max Planck nombró la teoría según el principio. [4]
El principio requiere que las leyes físicas sean las mismas para cualquier cuerpo que se mueva a velocidad constante que para un cuerpo en reposo. Una consecuencia es que un observador en un sistema de referencia inercial no puede determinar una velocidad absoluta o dirección de viaje en el espacio, y sólo puede hablar de velocidad o dirección relativa a algún otro objeto.
El principio no se extiende a los sistemas de referencia no inerciales porque, en la experiencia general, esos sistemas no parecen cumplir las mismas leyes de la física. En física clásica , se utilizan fuerzas ficticias para describir la aceleración en sistemas de referencia no inerciales.
El principio especial de la relatividad fue enunciado explícitamente por primera vez por Galileo Galilei en 1632 en su Diálogo sobre los dos principales sistemas mundiales , utilizando la metáfora del barco de Galileo .
La mecánica newtoniana añadió al principio especial varios otros conceptos, incluidas las leyes del movimiento, la gravitación y la afirmación de un tiempo absoluto . Cuando se formula en el contexto de estas leyes, el principio especial de la relatividad establece que las leyes de la mecánica son invariantes bajo una transformación galileana .
Joseph Larmor y Hendrik Lorentz descubrieron que las ecuaciones de Maxwell , utilizadas en la teoría del electromagnetismo , eran invariantes sólo ante un cierto cambio de unidades de tiempo y longitud. Esto dejó cierta confusión entre los físicos, muchos de los cuales pensaban que un éter luminífero era incompatible con el principio de relatividad, tal como lo definió Henri Poincaré :
El principio de la relatividad, según el cual las leyes de los fenómenos físicos deben ser las mismas, ya sea para un observador fijo o para un observador llevado en un movimiento uniforme de traslación; de modo que no tenemos ni podríamos tener ningún medio para discernir si estamos o no arrastrados por tal movimiento.
— Henri Poincaré, 1904 [5]
En sus artículos de 1905 sobre electrodinámica , Henri Poincaré y Albert Einstein explicaron que con las transformaciones de Lorentz el principio de la relatividad se cumple perfectamente. Einstein elevó el principio (especial) de la relatividad a postulado de la teoría y derivó las transformaciones de Lorentz de este principio combinadas con el principio de independencia de la velocidad de la luz (en el vacío) del movimiento de la fuente. Estos dos principios se reconciliaron entre sí mediante un reexamen de los significados fundamentales de los intervalos de espacio y tiempo.
La fuerza de la relatividad especial reside en el uso de principios básicos y simples, incluida la invariancia de las leyes de la física bajo un cambio de marcos de referencia inerciales y la invariancia de la velocidad de la luz en el vacío. (Ver también: covarianza de Lorentz ).
Es posible derivar la forma de las transformaciones de Lorentz únicamente a partir del principio de relatividad. Utilizando únicamente la isotropía del espacio y la simetría implícita en el principio de la relatividad especial, se puede demostrar que las transformaciones espacio-temporales entre marcos inerciales son galileanas o lorentzianas. Si la transformación es realmente galileana o lorentziana debe determinarse mediante experimentos físicos. No es posible concluir que la velocidad de la luz c sea invariante únicamente mediante lógica matemática. En el caso lorentziano, se puede obtener la conservación del intervalo relativista y la constancia de la velocidad de la luz. [6]
El principio general de la relatividad establece: [7]
Todos los sistemas de referencia son equivalentes con respecto a la formulación de las leyes fundamentales de la física.
— C. Møller La teoría de la relatividad , p. 220
Es decir, las leyes físicas son las mismas en todos los sistemas de referencia, inerciales o no inerciales. Una partícula cargada acelerada podría emitir radiación sincrotrón , mientras que una partícula en reposo no lo hace. Si consideramos ahora la misma partícula cargada acelerada en su sistema de reposo no inercial, emite radiación en reposo.
La física en sistemas de referencia no inerciales fue tratada históricamente mediante una transformación de coordenadas , primero, a un sistema de referencia inercial, realizando los cálculos necesarios en el mismo, y utilizando otra para volver al sistema de referencia no inercial. En la mayoría de estas situaciones, se pueden utilizar las mismas leyes de la física si se añaden ciertas fuerzas ficticias predecibles; un ejemplo es un sistema de referencia que gira uniformemente , que puede tratarse como un sistema de referencia inercial si se agrega una fuerza centrífuga ficticia y una fuerza de Coriolis .
Los problemas involucrados no siempre son tan triviales. La relatividad especial predice que un observador en un sistema de referencia inercial no ve objetos que describiría como moviéndose más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, en el marco de referencia no inercial de la Tierra , al tratar un punto de la Tierra como un punto fijo, se observa que las estrellas se mueven en el cielo, dando vueltas alrededor de la Tierra una vez al día. Dado que las estrellas están a años luz de distancia, esta observación significa que, en el sistema de referencia no inercial de la Tierra, cualquiera que mire las estrellas ve objetos que, para él, parecen moverse más rápido que la velocidad de la luz.
Dado que los sistemas de referencia no inerciales no respetan el principio especial de la relatividad, tales situaciones no son contradictorias .
La relatividad general fue desarrollada por Einstein en los años 1907 - 1915. La relatividad general postula que la covarianza global de Lorentz de la relatividad especial se convierte en una covarianza de Lorentz local en presencia de materia. La presencia de materia "curva" el espacio-tiempo , y esta curvatura afecta la trayectoria de las partículas libres (e incluso la trayectoria de la luz). La relatividad general utiliza las matemáticas de la geometría diferencial y los tensores para describir la gravitación como un efecto de la geometría del espacio-tiempo . Einstein basó esta nueva teoría en el principio general de la relatividad y le puso el nombre del principio subyacente.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )Vea las referencias de la relatividad especial y las referencias de la relatividad general .
