Teoría de la relatividad para niños
La teoría de la relatividad es un conjunto de ideas sobre el espacio, el tiempo, la gravedad y el movimiento, creadas principalmente por Albert Einstein a principios del siglo XX. Esta teoría buscaba unir las leyes de Isaac Newton sobre el movimiento con las leyes del electromagnetismo, que describen cómo funcionan la electricidad y el magnetismo.
La teoría de la relatividad se divide en dos partes importantes: la teoría de la relatividad especial y la relatividad general.
Contenido
¿Qué es la Relatividad Especial?
La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, explica cómo se mueven los objetos cuando no hay fuerzas de gravedad importantes. En esta teoría, Einstein, Lorentz y Minkowski unieron las ideas de espacio y tiempo en algo que llamaron "espacio-tiempo".
Ideas Clave de la Relatividad Especial
La relatividad especial fue muy innovadora para su época. Algunas de sus ideas principales son:
- La velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma para todos los observadores, sin importar cómo se muevan.
- El tiempo no es absoluto; puede pasar de forma diferente para personas que se mueven a distintas velocidades (esto se llama dilatación del tiempo).
- Los objetos en movimiento se ven más cortos en la dirección de su movimiento (esto se llama contracción de la longitud).
- La equivalencia entre masa y energía: la masa y la energía son dos formas de lo mismo, y se relacionan con la famosa fórmula E=mc².
- Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores que se mueven a una velocidad constante.
Las leyes de movimiento de Newton son un caso especial de esta teoría. Funcionan muy bien cuando los objetos se mueven a velocidades bajas, donde los cambios en la longitud, la masa o el tiempo son tan pequeños que no se notan.
¿Qué es la Relatividad General?
La teoría de la relatividad general, publicada en 1915, es una nueva forma de entender la gravedad. Reemplaza la idea de la gravedad de Newton, aunque ambas teorías dan resultados muy parecidos para la mayoría de las situaciones cotidianas.
La Gravedad como Curvatura del Espacio-Tiempo
La relatividad general explica la interacción gravitatoria como una deformación o "curvatura" en la geometría del espacio-tiempo. Imagina que el espacio-tiempo es como una cama elástica: si pones una bola pesada en el centro, la tela se curva. Si luego lanzas una canica cerca, la canica rodará hacia la bola pesada, no porque la bola la "atraiga" directamente, sino porque la tela está curvada. De manera similar, los planetas giran alrededor del Sol porque la gran masa del Sol curva el espacio-tiempo a su alrededor.
Esta teoría introdujo ideas como:
- La curvatura del espacio-tiempo es la causa de la gravedad.
- El principio de equivalencia: dice que no puedes distinguir entre estar en un campo gravitatorio y estar acelerando en el espacio.
- Los objetos se mueven en el espacio-tiempo siguiendo las líneas más "rectas" posibles en ese espacio curvo, llamadas geodésicas.
La relatividad general ha predicho con éxito muchos fenómenos, como la forma en que la luz se curva al pasar cerca de objetos muy masivos y las pequeñas desviaciones en la órbita del planeta Mercurio. También abrió un nuevo campo de estudio llamado cosmología, que es el estudio del universo en su conjunto, y es muy importante en la astrofísica.
El 7 de marzo de 2010, la Academia Israelí de Ciencias mostró al público los manuscritos originales de Einstein (escritos en 1905). Este documento, con 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas, fue donado por Einstein a la Universidad Hebrea de Jerusalén en 1925.
Conceptos Principales de la Relatividad
El punto de partida de la teoría de la relatividad es que la ubicación de los eventos físicos, tanto en el tiempo como en el espacio, dependen de cómo se mueve el observador. Esto significa que la longitud de un objeto en movimiento o el momento exacto en que algo ocurre no son siempre los mismos para todos, a diferencia de lo que se pensaba con las ideas de Newton. Diferentes observadores que se mueven entre sí verán estas cosas de manera diferente.
El Espacio-Tiempo de Minkowski
Hermann Minkowski, un antiguo profesor de Einstein, le dio a la teoría de la relatividad especial su forma matemática actual. Él creó el término "espacio-tiempo" (Raumzeit) y lo describió como un espacio de cuatro dimensiones donde las tres dimensiones espaciales (arriba/abajo, izquierda/derecha, adelante/atrás) y el tiempo están unidos de forma inseparable.
En este espacio-tiempo, el movimiento de una partícula se representa como una "línea de universo", que es una curva que muestra su camino a través del espacio y el tiempo. El concepto de "punto" en el espacio se reemplazó por el de "suceso" (un punto en el espacio-tiempo). La "distancia" se reemplazó por el "intervalo".
El Intervalo Relativista
El intervalo relativista es como una "distancia" en el espacio-tiempo. Se calcula de una manera especial que tiene en cuenta tanto el espacio como el tiempo.
Los intervalos pueden ser de tres tipos:
- Espaciales: Cuando dos eventos están tan lejos en el espacio que la luz no podría viajar entre ellos en el tiempo disponible. No pueden afectarse mutuamente.
- Temporales: Cuando un evento puede influir en otro, porque la luz (o algo más lento) puede viajar entre ellos.
- Nulos: Cuando los eventos están conectados por un rayo de luz. Esto significa que la distancia recorrida es exactamente igual a la velocidad de la luz multiplicada por el tiempo.
Los intervalos nulos se pueden visualizar con un "cono de luz". Imagina que estás en el centro de este cono. El cono superior representa tu "futuro absoluto" (eventos que te pueden afectar), y el cono inferior representa tu "pasado absoluto" (eventos que te pudieron afectar). Los eventos que están fuera de tu cono de luz no pueden afectarte ni ser afectados por ti, porque la información no puede viajar lo suficientemente rápido para conectarlos.
Por ejemplo, si algo muy importante sucede en la galaxia Andrómeda, que está a 2.5 millones de años luz de nosotros, tardaríamos 2.5 millones de años en enterarnos. Si ese evento ocurrió hace solo 100,000 años, todavía no lo sabríamos, porque la luz no ha llegado. Se dice que el intervalo entre ese evento y nosotros es "espacial", lo que significa que no hay una relación de causa y efecto directa entre ellos en este momento.
El "tiempo propio" es el tiempo que mide un observador que está en el mismo lugar que el evento. Este tiempo propio y el intervalo relativista son "invariantes", lo que significa que su valor es el mismo sin importar cómo se mueva el observador.
Cuadrivelocidad y Cuadrimomento
En el espacio-tiempo, las propiedades de movimiento de las partículas se describen con conceptos como la "cuadrivelocidad" y el "cuadrimomento".
- La cuadrivelocidad es una forma de medir la velocidad de una partícula en el espacio-tiempo. A diferencia de la velocidad normal, la cuadrivelocidad siempre tiene un valor constante, que es la velocidad de la luz.
- El cuadrimomento es una combinación de la masa, la energía y el movimiento de una partícula en el espacio-tiempo. Es una magnitud que se conserva, lo que significa que su valor total en un sistema cerrado no cambia.
La famosa fórmula de Einstein, E=mc², que relaciona la energía (E) con la masa (m) y la velocidad de la luz (c), es una parte clave del cuadrimomento. Esta fórmula nos dice que la masa puede convertirse en energía y viceversa.
Galería de imágenes
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Representación artística de la explosión de la supernova SN 2006gy, situada a 238 millones de años luz.
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Esquema bidimensional de la curvatura del espacio-tiempo (cuatro dimensiones) generada por una masa esférica.
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Tensor de tensión-energía
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Parte de la materia que cae en el disco de acreción de un agujero negro es expulsada a gran velocidad en forma de chorros.
Véase también
- Teoría de la relatividad especial
- Relatividad general
- Anexo:Glosario de relatividad
