¿Alguna vez te has preguntado cómo funciona realmente el universo? ¿Qué secretos ocultos gobiernan el tejido mismo del espacio y el tiempo? Hace más de un siglo, un hombre con el cabello alborotado se atrevió a desafiar todo lo que creíamos saber sobre la realidad. Con su teoría de la relatividad, Albert Einstein cambió para siempre nuestra comprensión del cosmos. Veamos la teoría de la relatividad de Einstein explicada con palabras simples.
Imagina por un momento que pudieras viajar a la velocidad de la luz. ¿Qué verías? ¿Cómo experimentarías el paso del tiempo? Estas preguntas, que parecen sacadas de una novela de ciencia ficción, son precisamente el tipo de enigmas que Einstein se propuso resolver. Su teoría no solo respondió a estas interrogantes, sino que también reveló un universo mucho más extraño y maravilloso de lo que nadie había imaginado.
Este artículo aborda la teoría de la relatividad con el objetivo de explicar las nueva ideas que aportó Einstein a la humanidad. Descubriremos cómo la teoría de Einstein ha transformado nuestra vida diaria, desde la precisión de los GPS hasta nuestra comprensión del origen y destino del universo. Te sorprenderás al saber que el tiempo no fluye de la misma manera para todos y que la gravedad no es una fuerza, sino una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo.
Prepárate para desafiar tus intuiciones más básicas sobre la realidad. Al final de este artículo, no solo tendrás una idea más clara de una de las teorías científicas más revolucionarias de todos los tiempos, sino que también verás el mundo que te rodea con nuevos ojos. La teoría de la relatividad de Einstein no es solo un conjunto de ideas abstractas; es una ventana a los secretos más profundos del universo.
Quién era Albert Einstein
Como suele ocurrir con todos los nombres de personas muy conocidos, Einstein no siempre fue Einstein, hubo un tiempo que fue simplemente Albert. Albert Einstein nació en Alemania el 14 de marzo de 1879. Concretamente en un pueblo llamado Ulm, al este Stuttgart. Sus padres, Hermann Einstein y Pauline Koch, eran modestos comerciantes judíos.
Lejos de lo que se pueda pensar, Albert no fue precisamente un niño genio. A los tres años todavía no hablaba, era tímido, retraído y solitario. Se dice que sus padres llegaron a pensar que Albert tenía algún tipo de retraso. No fue un buen estudiante, pero siempre demostró gran curiosidad sobre todo lo que veía a su alrededor. En su adolescencia descubrió lecturas que le despertaron el interés por la ciencia. Según contó el propio Einstein, encontró un libro de geometría que devoró en poco tiempo.
A los dieciséis años de edad (año 1895) escribió su primera disertación científica, titulada “Sobre la investigación del estado del éter en los campos magnéticos”. Con 17 años (1896) ingresó a la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suiza), uno de los mejores sitios para el estudio científico en la Europa de la época. Todos los estudiantes eran hombres, salvo Mileva Maric, con la que acabaría casándose en 1903 en Berna (Suiza).
Albert y Mileva tuvieron tres hijos: Lieserl (1902), Hans Albert (1904) y Eduard (1910). Albert estuvo trabajando en Berna en la oficina de patentes y de propiedad intelectual hasta 1909. Sin embargo, su trabajo y su familia no le desvincularon de la ciencia. Es más, estaba obsesionado con ella.
En 1905, cuando tenía 26 años, hizo cuatro publicaciones científicas. Gracias a una de ellas obtuvo en 1906 el título de Doctor por la Universidad de Zurich y, a la postre, le permitiría dedicarse profesionalmente a su obsesión. Fue contratado como profesor y conferenciante por la Universidad de Berna, y luego como catedrático por la Universidad Alemana de Praga (1910). En 1913 fue designado como miembro de la Academia Prusiana de Ciencias y se estableció en Berlín. Su teoría general de la relatividad la publicó en 1915.
En 1921 recibió el Premio Nobel de Física, otorgado por sus estudios de fotoeléctrica, sin embargo, sorprendió a la audiencia con un discurso dedicado enteramente a la relatividad.
Una cosa no quita la otra. Según los estándares modernos, Einstein probablemente no sería considerado un padre ejemplar. Su dedicación a la ciencia a menudo eclipsó sus responsabilidades familiares. En 1919 se separó de Mileva y se casó con Elsa Löwenthal.
El hecho de ser de familia judía le complicó mucho la vida en la Alemania de Hitler y en 1932 se marchó a Estados Unidos. Allí continuó sus investigaciones en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, en Nueva Jersey, donde se dieron cita más adelante numerosos físicos del mundo.
La rebeldía de Einstein
Einstein fue un pensador rebelde. Por ejemplo, no le gustaban la rigidez de la escuela. Le apasionaba aprender, pero no perder el tiempo. Con 15 años le expulsaron de la escuela (bueno, más bien él encontró la manera de no tener que ir) y se puso a leer una enciclopedia de física de tres volúmenes.
Más adelante, al profundizar en estos conocimientos, Einstein se percató de que los principios de la física conocidos hasta entonces no encajaban completamente. Se dio cuenta de que lo que había escrito el venerado Isaac Newton dos siglos antes no siempre era acertado.
Por ejemplo, en el siglo XVII Newton estableció las leyes del movimiento y la gravitación universal. Estas leyes describían con gran precisión el movimiento de los cuerpos en condiciones «normales» (velocidades bajas en comparación con la velocidad de la luz). A finales del siglo XIX y principios del XX, se descubrieron fenómenos que la física newtoniana no podía explicar adecuadamente, especialmente en relación con el electromagnetismo y la luz.
Einstein: «La imaginación es más importante que el conocimiento, porque el conocimiento tiene límites, pero la imaginación puede llevarnos a cualquier parte«
Einstein no buscaba formular teorías matemáticas extravagantes, sino obtener una visión del mundo y del universo que encajase en su mente. El pensamiento es libre, decía Einstein; lo que le llevó a cuestionar todas las suposiciones convencionales, incluidas las que eran ampliamente admitidas en la época.
Einstein disfrutaba pensando en los problemas de manera visual. Antes de formular cualquier ecuación matemática, trataba de visualizar y entender conceptualmente cómo funcionaría el universo en ese supuesto. Todo esto le ayudó a tener una profunda intuición de la física, la habilidad de ver, de sentir, cómo debería comportarse el universo. Esta intuición le guiaba en la formación de sus teorías, antes incluso de que pudiera expresarlas matemáticamente.
Teoría de la relatividad especial
Einstein se obsesionó con la idea de dar una explicación a todas estas incoherencia. Esta búsqueda le llevó a concluir que la velocidad de la luz en el vacío es constante y, además, es la velocidad máxima a la que puede viajar cualquier materia en el universo. Este postulado fue revolucionario porque contradecía la idea intuitiva de que las velocidades se suman de manera simple.
Si la velocidad de la luz es un principio fundamental de la física, esto llevó a Einstein a reconsiderar conceptos fundamentales como el espacio y el tiempo. El resultado fue su famosa ecuación E=mc², donde relaciona masa y energía, un concepto ausente en la física newtoniana. Por otro lado, Einstein introdujo el concepto de espacio-tiempo, unificando lo que Newton consideraba como entidades separadas y absolutas.
Estas nuevas ideas le permitían a Einstein explicar bastante bien cómo funcionaba una parte del universo. Así que en 1905, con 26 años, se atrevió a escribir varios trabajos donde ponía en entredicho teorías de afamados físicos como Maxwell o Newton.
Como compendio de todo aquello, terminó publicando su teoría de la relatividad especial donde explicaba cómo se comportaban los objetos que se mueven a una velocidad constante y en línea recta, sin considerar el efecto de la gravedad. El concepto de la gravedad era algo que todavía no llegaba a comprender, por lo que lo dejó fuera, por el momento.
En realidad, la teoría de la relatividad especial de Einstein no invalidó las leyes de Newton, sino que las amplió y las situó en un contexto más amplio. La teoría de Einstein explica los fenómenos que ocurren a velocidades cercanas a la de la luz, donde las predicciones newtonianas fallan. Sin embargo, para velocidades bajas y en campos gravitatorios débiles, ambas teorías producen resultados prácticamente idénticos.
La teoría de la relatividad especial de Einstein representó un cambio de paradigma en la física, modificando fundamentalmente nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la naturaleza del universo.
Teoría general de la relatividad
La teoría de la relatividad especial, con un alcance limitado, se postula que la velocidad de la luz es constante, se establece la equivalencia entre masa y energía y se introduce la idea de la dilatación del tiempo. Además, no se aborda la gravedad. Dicho de otra forma, en la relatividad especial se establecían los principios básicos de la relatividad antes de aplicarlos a problemas más complejos (como la gravedad).
Einstein necesitó casi una década adicional de intenso trabajo matemático y conceptual para completar el puzle de la teoría general de la relatividad. La teoría general requería herramientas matemáticas más avanzadas (geometría diferencial) que Einstein tuvo que dominar. Por otro lado, mientras que la relatividad especial resolvía problemas conocidos que se podían verificar con cierta facilidad, la teoría general hizo predicciones muy difíciles de comprobar en aquel momento. Por otro lado, en el periodo de 1905 a 1915 hubo avances significativos en física y matemáticas que ayudaron al desarrollo de la teoría general.
La teoría general de la relatividad es una extensión de la relatividad especial y aborda la influencia de la gravedad en la geometría del espacio-tiempo, proporcionando una nueva comprensión de la cosmología y el universo a gran escala. Como veremos más adelante, la teoría general revolucionó nuestra comprensión del universo a gran escala.
Curiosamente, aunque las teorías de Einstein están expresadas en fórmulas matemáticas complejas, estas fórmulas son el resultado final de su pensamiento, no el punto de partida. Las matemáticas fueron el lenguaje que usó para expresar sus ideas, no la fuente de las ideas en sí. A menudo usaba analogías y metáforas para explicar sus hipótesis, lo que demuestra que su pensamiento era más conceptual que puramente matemático.
Qué es la relatividad
Como hemos podido comprobar, la herramienta principal de trabajo de Einstein era su imaginación. Así que para seguir esta explicación solo hace falta imaginarse cosas. No obstante, se están intentando explicar conceptos complejos de una forma simple. Por tanto, si no se entiende del todo una idea, es mejor no quedarse bloqueado, suponga que es así y siga adelante.
La palabra relatividad puede sonar complicada, pero en realidad es una idea muy simple. Significa que la forma en que vemos las cosas depende de dónde estamos y cómo nos movemos. Suena raro, ¿verdad? Vamos a verlo con algunos ejemplos:
- El tren en movimiento: Imagina que estás en un tren que se mueve muy rápido. Desde tu asiento, ves a tu amigo caminando por el pasillo del tren. Para ti, tu amigo se mueve lentamente. Pero para alguien que está fuera del tren, en la estación, si solo viera a tu amigo, lo vería moverse muy rápido, ¡tan rápido como el tren! ¿Quién tiene razón?¿Se mueve lento o rápido? La respuesta es: ¡los dos tienen razón! El movimiento de tu amigo es relativo a quien lo observa.
- Las hormigas en la pelota: Piensa en unas hormigas que viven en una pelota de fútbol. Para las hormigas, su mundo es plano porque son tan pequeñas que no pueden ver la curvatura de la pelota. Pero para nosotros, que vemos la pelota desde fuera, sabemos que es redonda. La forma del mundo de las hormigas es relativa a quién lo observa.
- El parque de diversiones: Cuando estás en una montaña rusa que da vueltas, sientes que el mundo gira a tu alrededor. Pero en realidad, eres tú quien se está moviendo con respecto al mundo. Tu sensación de movimiento es relativa a tu posición en la montaña rusa.
Ejemplos como estos se utilizan frecuentemente para mostrar que la interpretación de lo que ocurre a nuestro alrededor dependen de cómo y desde dónde las observemos: son relativas. Einstein se dio cuenta de que esta idea también se aplica a conceptos tan importantes del universo, como el tiempo o el espacio.
El tiempo no siempre es el mismo para todos
Una de las ideas más sorprendentes de la teoría de la relatividad de Einstein es que el tiempo no es igual para todos. Esto puede sonar muy extraño, porque estamos acostumbrados a pensar que el tiempo siempre avanza de la misma manera para todo el mundo. Pero Einstein descubrió que esto no es del todo cierto.
Imagina que tienes dos relojes idénticos. Pones uno en tu casa y el otro lo llevas contigo en un cohete que viaja muy, muy rápido por el espacio. Cuando regreses de tu viaje espacial, ¡descubrirías que tu reloj marca un tiempo diferente al reloj que dejaste en casa! El reloj que viajó contigo en el cohete iría más lento.
Esto es conocido como dilatación temporal y sucede porque el tiempo transcurre más despacio para los objetos que se desplazan a gran velocidad. Claramente, este fenómeno no es perceptible en nuestra cotidianidad. Solo se hace evidente cuando un objeto se mueve a velocidades próximas a la de la luz.
Pongamos algunos otros ejemplos simples para entender mejor esta idea:
- Los gemelos viajeros: Imagina que tienes un gemelo y que él se va de viaje en un cohete súper rápido mientras tú te quedas en la Tierra. Cuando tu gemelo regrese, ¡descubrirás que es más joven que tú! Esto se llama la paradoja de los gemelos.
- El reloj del GPS: Los satélites que usamos para el GPS se mueven muy rápido alrededor de la Tierra. Como van a mucha velocidad, sus relojes van un poquito más lento que los relojes en la Tierra. Si no se corrigiera esta diferencia, el GPS no funcionaría correctamente.
- La fiesta de cumpleaños espacial: Si celebraras tu cumpleaños en una nave espacial que viaja muy rápido, el tiempo pasaría más lento para ti. Cuando volvieras a la Tierra, tus amigos habrían envejecido más que tú.
Por extraño que parezca, esto es así, no hay que darle muchas más vueltas. Si queremos ser eternamente joven, simplemente tenemos que conseguir viajar a la velocidad de la luz. Por desgracia, esto es imposible para objetos con masa.
El espacio y el tiempo están conectados
Otra idea asombrosa de Einstein es que el espacio y el tiempo no son cosas separadas, sino que están conectados en algo que se llama espacio-tiempo. Ya sé que la idea no es fácil de asimilar. La idea es que, además de las tres dimensiones del espacio (arriba-abajo, izquierda-derecha, adelante-atrás), el tiempo es una cuarta dimensión inseparable de las anteriores.
Ahora viene una parte para la que hay que poner algo de imaginación. Para hacernos una idea de lo que significa esto, pensemos por un momento que representamos estas cuatro dimensiones como si fuera un tejido elástico, una cama elástica. Los objetos con masa, como los planetas o estrellas, colocados en la cama elástica del espacio-tiempo, la curvan a su alrededor creando una depresión. Cuanto más masa tiene el objeto, más se curva el espacio-tiempo. Por ejemplo, el sol curva el espacio-tiempo a su alrededor más que los planetas que le rodean.
Lo que propuso Einstein es que lo que percibimos como gravedad, en realidad es el resultado de esta curvatura en el espacio-tiempo. Los planetas no sienten una fuerza que los atrae hacia el Sol, sino que siguen la trayectoria más directa posible en un espacio-tiempo curvado. Es como si rodaran hacia el centro de la depresión creada por el sol en el tejido del espacio-tiempo.
Lo curioso de esta explicación es que la dimensión del tiempo en este tejido también se ve afectada por la masa y la energía. Cerca de objetos muy masivos, el tiempo fluye más lentamente. Esto se llama dilatación gravitacional del tiempo.
Esta relación entre el espacio y el tiempo nos lleva a otras conclusiones. Por ejemplo, cuando te mueves a través del espacio, también te estás moviendo a través del tiempo. Cuanto más rápido te mueves por el espacio, más lento avanzas por el tiempo. A velocidades cotidianas, este efecto es imperceptible, pero se vuelve significativo a velocidades cercanas a la de la luz.
Si vamos un paso más allá, la teoría de Einstein también predijo la existencia de ondas gravitacionales, que son ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo causadas por eventos cósmicos masivos, como la colisión de agujeros negros. No vamos a entrar ahora en estos conceptos pero, debemos saber que estas ondas fueron detectadas por primera vez en 2015, confirmando la predicción de Einstein.
La velocidad de la luz es el límite
Una de las partes más importantes de la teoría de la relatividad es que hay una velocidad máxima en el universo: la velocidad de la luz. Nada puede viajar más rápido que la luz.
La luz viaja a una velocidad cercana a los 300,000 kilómetros por segundo. Para que nos hagamos una idea, a esta velocidad se podría dar la vuelta a la tierra unas 7.5 veces en un solo segundo.
Einstein descubrió que cuando algo se acerca a la velocidad de la luz, pasan cosas muy extrañas:
- El tiempo se ralentiza.
- Los objetos parecen hacerse más cortos en la dirección en la que se mueven.
- La masa de los objetos parece aumentar.
Estos efectos son tan pequeños a velocidades normales que no los notamos en nuestra vida diaria. Pero son muy importantes para entender cómo funciona el universo. Para hacernos una mejor idea, juguemos un poco con este concepto:
- La carrera imposible: Imagina que estamos en una nave espacial muy rápida y encendemos un faro en la parte delantera. No importa lo rápido que vayamos, la luz del faro siempre se alejará de nosotros. Es imposible alcanzarla.
- El tren de la luz: Si pudiéramos viajar en un tren que va a la velocidad de la luz (ya sabemos que esto es imposible para objetos con masa), el tiempo se detendría para nosotros. Si unos años más tarde nos bajáramos del tren, para nosotros habría pasado un instante, aunque para los que están fuera del tren hubiera pasado mucho tiempo.
Es lo que hay: la velocidad de la luz es el límite máximo al que se puede viajar.
Cómo la teoría de la relatividad cambió nuestra visión del universo
Como estamos viendo, las ideas de Einstein suponían otra forma de entender las fuerzas que regulan el universo. Los físicos anteriores, como Newton, habían sido muy hábiles para fijar las leyes que explican lo que nos rodea pero, esas leyes no son válidas para explicar lo que está más allá. Lo que hizo Einstein fue imaginarse la forma en la que se relacionaban la masa y la energía para explicar el comportamiento del universo.
Las ideas de Einstein cambiaron completamente la forma de entender el universo. Dicho de otra forma:
- El universo es dinámico: Antes de Einstein, la gente pensaba que el universo era como un escenario fijo donde ocurrían las cosas. Pero Einstein nos mostró que el universo es dinámico, que el espacio y el tiempo pueden estirarse y doblarse.
- La gravedad redefinida: Hasta el momento, la gravedad era una fuerza misteriosa. Einstein explicó la gravedad como una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo causada por la masa y la energía. Esto proporcionó una nueva y profunda comprensión de cómo funciona la fuerza más fundamental que conocemos.
- El límite de velocidad cósmico: Einstein estableció que la velocidad de la luz es constante y que nada puede viajar más rápido que ella. Esto puso un límite fundamental a la velocidad en el universo, algo que no se había considerado antes.
- Equivalencia masa-energía: La famosa ecuación E=mc² mostró que la masa y la energía son intercambiables. Esto cambió nuestra comprensión de la materia y la energía, y sentó las bases para entender procesos como la fusión nuclear en las estrellas.
- El origen del universo: La teoría de la relatividad ayudó a los científicos a desarrollar la teoría del Big Bang, que explica cómo comenzó el universo. Sin la relatividad, no podríamos entender cómo el universo pudo expandirse desde un punto muy pequeño y caliente hasta convertirse en el vasto espacio que vemos hoy.
- Los agujeros negros: Einstein no habló directamente sobre los agujeros negros, pero su teoría predijo su existencia. Los agujeros negros son lugares donde la gravedad (masa) es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. ¡Son como gigantescos sumideros en el espacio-tiempo!
- Las ondas gravitacionales: La teoría de Einstein también predijo la existencia de ondas gravitacionales, que son como ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo. Estas ondas se detectaron por primera vez en 2015, ¡100 años después de que Einstein las predijera!.
En realidad, la teoría de la relatividad permite ir todavía más lejos e imaginar fenómenos exóticos como los agujeros de gusano o los universos paralelos, expandiendo enormemente la idea del cosmos. Además, la teoría proporcionó herramientas matemáticas para describir el universo con una precisión sin precedentes, permitiendo predicciones y observaciones más exactas.
Conclusiones sobre la teoría de la relatividad
La teoría de la relatividad de Einstein es como una ventana mágica que nos permite ver el universo de una manera completamente nueva. Nos muestra que el tiempo y el espacio no son tan simples como pensábamos, que están conectados de formas sorprendentes y que pueden estirarse y doblarse.
Aunque algunas de estas ideas pueden parecer extrañas o difíciles de entender al principio, han sido probadas una y otra vez por los científicos. La relatividad no solo nos ayuda a entender cosas enormes como galaxias y agujeros negros, sino que también es importante para tecnologías que usamos todos los días. Por ejemplo:
- GPS: Como mencionamos antes, los sistemas de GPS tienen que tener en cuenta los efectos de la relatividad para funcionar correctamente. Sin estas correcciones, los errores en la ubicación crecerían rápidamente.
- Energía nuclear: La famosa ecuación de Einstein, E = mc², explica cómo una pequeña cantidad de masa puede convertirse en una gran cantidad de energía. Esta es la base de la energía nuclear.
- Relojes atómicos: Los relojes más precisos del mundo, los relojes atómicos, deben tener en cuenta los efectos de la relatividad para mantener el tiempo con exactitud.
En resumen, la teoría de la relatividad de Einstein transformó nuestra visión del universo como un escenario fijo y predecible a un cosmos dinámico, interconectado y lleno de fenómenos sorprendentes. Nos mostró un universo donde el espacio, el tiempo, la materia y la energía están fundamentalmente entrelazados, y donde nuestra intuición cotidiana a menudo no es suficiente para comprender los fenómenos cósmicos. Esta nueva visión no solo cambió nuestra comprensión filosófica del universo, sino que también llevó a avances tecnológicos y descubrimientos científicos que continúan expandiendo nuestro conocimiento del cosmos.
Lo más emocionante es que todavía hay mucho por descubrir. Los científicos siguen usando las ideas de Einstein para explorar nuevos misterios del universo.
Más información
En este artículo se ha intentado explicar los conceptos que dan forma a la teoría de la relatividad de Einstein. Se ha asomado la cabeza a un mundo apasionante y amplio. Espero que hayas disfrutado explorando estas ideas fascinantes y que te hayan inspirado a aprender más sobre la ciencia que explica nuestro universo. Si busca inspiración o simplemente te interesan estos temas, en este blog se dispone de otros muchos contenidos relacionados. Por favor, utilice el buscador de contenidos que tenemos en la cabecera.
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Relativamente lo entendí, muchas gracias por esta información.
Muchas gracias Evelin por el comentario. Saludos