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 de forma implícita (como en la mecánica newtoniana ) o explícita (como en la relatividad especial y la relatividad general de Albert Einstein ).
Ciertos principios de la relatividad han sido ampliamente aceptados en la mayoría de las disciplinas científicas. Uno de los más extendidos es la creencia de que cualquier ley de la naturaleza debería ser la misma en todo momento; y las investigaciones científicas generalmente suponen que las leyes de la naturaleza son las mismas independientemente de la persona que las mida. Este tipo de principios se han incorporado a la investigación científica en los niveles más fundamentales.
Todo principio de relatividad prescribe una simetría en la ley natural: es decir, las leyes deben parecer iguales para un observador y para otro. Según un resultado teórico llamado teorema de Noether , cualquier simetría de este tipo también implicará una ley de conservación . [1] [2] Por ejemplo, si dos observadores en diferentes momentos ven las mismas leyes, entonces se conservará una cantidad llamada energía . En este sentido, los principios de 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 relatividad : Si se elige un sistema de coordenadas K de modo que, en relación con él, las leyes físicas sean válidas en su forma más simple, las mismas leyes sean válidas en relación con cualquier otro sistema de coordenadas K' que se mueva en traslación uniforme con respecto 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 relatividad establece que las leyes físicas deberían 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 esta última es tan fuerte que Max Planck nombró la teoría en honor al principio. [4]
El principio exige que las leyes físicas sean las mismas para cualquier cuerpo que se mueva a velocidad constante y para un cuerpo en reposo. Una consecuencia es que un observador en un sistema de referencia inercial no puede determinar una velocidad absoluta o una dirección de desplazamiento en el espacio, y solo puede hablar de velocidad o dirección relativa a algún otro objeto.
El principio no se aplica a los sistemas de referencia no inerciales porque, en la experiencia general, esos sistemas no parecen regirse por las mismas leyes de la física. En la física clásica , se utilizan fuerzas ficticias para describir la aceleración en sistemas de referencia no inerciales.
El principio especial de relatividad fue enunciado explícitamente por primera vez por Galileo Galilei en 1632 en su Diálogo sobre los dos principales sistemas del mundo , utilizando la metáfora del barco de Galileo .
La mecánica newtoniana agregó al principio especial varios otros conceptos, entre ellos 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 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 con 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 relatividad, según el cual las leyes de los fenómenos físicos deberían ser las mismas, ya sea para un observador fijo o para un observador arrastrado en un movimiento uniforme de traslación; de modo que no tenemos ni podríamos tener ningún medio de discernir si somos arrastrados o no en 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 relatividad se cumple perfectamente. Einstein elevó el principio (especial) de relatividad a postulado de la teoría y derivó las transformaciones de Lorentz de este principio combinado con el principio de la independencia de la velocidad de la luz (en el vacío) respecto del movimiento de la fuente. Estos dos principios se reconciliaron entre sí mediante un nuevo examen de los significados fundamentales de los intervalos de espacio y tiempo.
La fortaleza de la relatividad especial reside en su uso de principios básicos y simples, entre los que se incluyen la invariancia de las leyes de la física ante un desplazamiento de los marcos de referencia inerciales y la invariancia de la velocidad de la luz en el vacío (véase también: covarianza de Lorentz ).
Es posible derivar la forma de las transformaciones de Lorentz a partir del principio de relatividad únicamente. Utilizando únicamente la isotropía del espacio y la simetría implícita en el principio de relatividad especial, se puede demostrar que las transformaciones espacio-temporales entre sistemas inerciales son galileanas o lorentzianas. Si la transformación es realmente galileana o lorentziana debe determinarse con experimentos físicos. No es posible concluir que la velocidad de la luz c es 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 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 , pág. 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 de sincrotrón , pero una partícula en reposo no lo hace. Si consideramos ahora la misma partícula cargada acelerada en su sistema de referencia en reposo no inercial, emite radiación en reposo.
Históricamente, la física en sistemas de referencia no inerciales se ha tratado mediante una transformación de coordenadas , primero, a un sistema de referencia inercial, realizando los cálculos necesarios en él y utilizando otro 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 a la consideración ciertas fuerzas ficticias predecibles ; un ejemplo es un sistema de referencia que gira uniformemente, que se puede tratar como un sistema de referencia inercial si se añaden a la consideración una fuerza centrífuga ficticia y una fuerza de Coriolis .
Los problemas que se plantean no siempre son tan triviales. La relatividad especial predice que un observador en un sistema de referencia inercial no ve objetos que describiría como si se movieran más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, en el sistema de referencia no inercial de la Tierra , que considera un punto de la Tierra como un punto fijo, se observa que las estrellas se mueven en el cielo, dando una vuelta alrededor de la Tierra una vez al día. Como 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 está viendo objetos que, a su entender, se mueven más rápido que la velocidad de la luz.
Dado que los marcos de referencia no inerciales no respetan el principio especial de relatividad, estas situaciones no son contradictorias .
La relatividad general fue desarrollada por Einstein entre 1907 y 1915. La relatividad general postula que la covarianza global de Lorentz de la relatividad especial se convierte en una covarianza local de Lorentz 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 nombró la teoría en honor al principio subyacente.
{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )Consulte las referencias de relatividad especial y las referencias de relatividad general .
