Einstein usó su imaginación en lugar de las matemáticas para crear su famosa ecuación de la teoría de la relatividad, que en la actualidad ha vuelto a pasar con mucho éxito varias pruebas bastante precisas.
La teoría de la relatividad predijo una serie de fenómenos muy extraños pero verdaderos
Todos sabemos que la teoría de la relatividad es famosa por su predicción de fenómenos muy extraños pero reales, así Albert Einstein predijo el cambio en la forma de los objetos a altas velocidades y el envejecimiento más lento de los astronautas con relación a las personas que habitan en la Tierra.
Si nos detenemos a leer una copia del artículo original de Albert Einstein de 1905, notaremos que es un texto de fácil lectura. Es muy sencillo y claro, y las ecuaciones de este documento son, en su mayoría, álgebra. Es decir, nada que pueda representar un problema para un estudiante de universidad.
Y es que Einstein nunca quiso elaborar una estrafalaria teoría matemática. Al científico más bien le gustaba pensar de forma visual, así creó experimentos en su mente y solo intentó resolverlos en su cabeza hasta poder ver las ideas y los principios físicos con una claridad absoluta. Incluso sus archivos condujeron al FBI a investigar sus documentos.
Se le sigue dando la razón a Einstein
Y en la actualidad, a más de cien años después de que Einstein presentara su ecuación sobre la gravedad, el equipo de científicos perteneciente al Instituto Max Planck de Radioastronomía, MPIfR, en Alemania; ha demostrado de nuevo y de forma precisa que Albert Einstein tenía razón.
El autor de la investigación, Michael Kramer, aseguró que están estudiando un sistema de estrellas compactas, lo que representa un laboratorio inmejorable para probar las teorías de la gravedad en presencia de campos gravitacionales bastante fuertes. Y para el deleite del equipo de investigadores, pudieron probar una piedra angular de la teoría del viejo físico, la energía transportada por ondas gravitacionales.
Los científicos explicaron que las observaciones que llevaron a cabo, no solo están de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, también pudieron demostrar los efectos que antes no se podrían investigar, como la denominada danza de los pulsares.
A lo que Ingrid Stairs de la Universidad de British Columbia, en Vancouver (Canadá), explicó que, siguieron la propagación de fotones de radio emitidos por un faro cósmico, es decir un púlsar, y lograron rastrear su movimiento en el fuerte campo gravitacional de un púlsar.
Con velocidades de alrededor de un millón de kilómetros por hora, lo que puede utilizarse es su movimiento rotando entre sí, tal como si se tratara de un laboratorio de gravedad casi ideal, agregó la investigadora.
Científicos de todas partes del mundo siguen con sus esfuerzos para hallar desviaciones en la relatividad general, lo que abriría una puerta a la nueva física más allá de la comprensión teórica actual que se tiene del universo.
Comenzó persiguiendo un rayo de luz en 1895
Cómo fue que Albert Einstein empezó sus experimentos mentales con apenas 16 años y cómo fue que todo aquello le llevó a la creación de la ecuación más revolucionaria de la física moderna, la teoría de la relatividad. Las descabelladas predicciones de la relatividad de Einstein sobre el comportamiento de la materia, el tiempo y el espacio por más de cien años han probado ser correctas.
En aquella época,el desprecio mal disimulado del joven científico por los métodos educativos autoritarios y rígidos de su Alemania natal ya le había costado la expulsión del equivalente actual de instituto. Por esa razón Einstein tuvo que mudarse a Zúrich, esperando asistir a la Escuela Politécnica Federal, ETH. No obstante, aquel jovencito decidió que primero iba a ir durante un año a una escuela en Aarau, una localidad cercana, para prepararse mejor.
La institución hacía énfasis en métodos de vanguardia como la visualización de conceptos y el pensamiento independiente. Fue en aquel momento en que Einstein comenzó a preguntarse cómo sería correr al lado de un rayo de luz.
Ya el joven había aprendido en el salón de clases de física qué era un rayo de luz. Sabía que era una serie de campos eléctricos y magnéticos que oscilan y se mueven a 299.792.458 metros por segundo (la medida de la velocidad de la luz). Entonces, Einstein razonaba que si pudiera corren junto a un rayo de luz que lleva esa velocidad, podría ser capaz de observar una serie de campos electromagnéticos oscilantes junto a él, que en el espacio serían estáticos, aparentemente.
Algo que resultaba imposible
Sin embargo, era algo que parecía imposible. Para comenzar, esos campos estáticos violarían las ecuaciones de Maxwell (leyes matemáticas responsables de codificar todo aquello que conocían los físicos en aquel momento sobre el magnetismo, la electricidad y la luz). Y estas leyes siempre han sido bastante estrictas, y afirman que toda onda que esté en los campos tiene que moverse a la misma velocidad de la luz y no puede quedarse estática.
Y peor aún, los campos estáticos no pudieran encajar en el principio de relatividad, siendo una noción que los físicos venían asumiendo desde los tiempo de Galileo y la era de Isaac Newton durante el siglo XVII. Fundamentalmente, la relatividad aseguraba que las leyes de la física no podían depender de la velocidad que llevaba el movimiento; todo lo que se podía medir era la velocidad de un objeto con respecto a otro.
Pero en el momento en que Einstein aplicó este principio en su experimento mental halló una contradicción. Se trataba de la relatividad dictada que cualquier objeto que pudiera ver mientras corriese al lado de un rayo de luz, hasta los campos estáticos, también debería tratarse de algo que los físicos del mundo pudieran crear en el laboratorio. Aunque algo así nunca se había observado.
Durante los próximos diez años Einstein estuvo dándole la vuelta a este problema, en sus años de universitario en la ETH y luego de mudarse a Berna (Suiza), donde fue examinador en la oficina de patentes suiza. En ese lugar fue donde Einstein logró resolver la paradoja definitivamente.
El papel de un tren en movimiento en la creación de la teoría de la relatividad
En 1904, Einstein movido por la desesperación, comenzó a pensar en una noción sencilla pero radical. Pensaba que las ecuaciones de Maxwell funcionaban para todo, pero quizá la velocidad de la luz siempre haya sido constante.
Es decir que cuando se ve pasar volando un rayo de luz, sin importar que su fuente se mueva hacia uno, se aleja de uno o se desplaza hacia un lado, ni tampoco sería importante la rapidez a la que se mueva esa fuente. Siempre se tendría que medir la velocidad del rayo a 299.792.458 metros por segundo. Una de las cosas que eso significaba era que Einstein nunca podría ver campos estáticos oscilantes, debido a que nunca podría atrapar a ese rayo de luz.
Esta era la única forma en la que el físico podía reconciliar el principio de la relatividad con las ecuaciones de Maxwell. No obstante, en un comienzo parecía que la solución que halló Einstein tenían un enrome defecto. Explicó luego el problema a través de otro experimento mental, se imaginó disparando un rayo de luz a lo largo de una vía de ferrocarril al mismo tiempo que un tren circulaba en la misma dirección en torno a 3200 metros por segundo.
Einstein concluyó que, si una persona junto a las vías podría medir la velocidad del rayo de luz por medio del número estándar: 299.792.458 metros por segundo. En el caso de que la velocidad de la luz no fuera constante, las ecuaciones de Maxwell deberían funcionar de manera distinta dentro del vagón del tren y se estaría violando el principio de relatividad.
Una feliz mañana de mayo de 1905
Esta idea atormentó a Einstein por cerca de un año. Pero en un hermosa mañana de mayo del año 1905, el científico se dirigía a su trabajo en compañía de Michele Besso, su mejor amigo. Un ingeniero al que conocía desde Zúrich. Los dos están debatiendo este dilema, y de repente, Einstein descubrió la solución. Toda esa noche Albert trabajó en el asunto y cuando se volvieron a ver la mañana siguiente, le dijo a Besso, que había resuelto por completo el problema.
La maravillosa revelación consistía en que los observadores en movimiento relativo están experimentando el tiempo de manera distinta. Es decir, es muy posible que 2 acontecimientos se den de forma simultánea desde la perspectiva de un observador, pero están sucediendo en momentos distintos desde la perspectiva de otro observador. Aunque los dos observadores estarían diciendo la verdad.
Otro experimento mental para la teoría de la relatividad
Después Albert Einstein ilustraría este argumento a través de otro experimento mental. En el nuevo experimento Eintein se imaginó a un observador que se encuentra junto a las vías mientras pasa el tren. Pero justo en ese instante un rayo alcanza el primer y último vagón del tren en el momento en que pasa frente al observador el vagón central del tren. Ya que los dos impacto suceden a la misma distancia del observador, su luz llega al ojo del espectador al mismo tiempo. De tal forma que este observador puede asegurar sin temor a equivocarse que los dos sucedieron de manera simultánea.
Mientras todo aquello ocurría, el otro espectador se encuentra sentado en el punto medio exacto de este tren. Desde su perspectiva, la luz de los dos impacto también debe recorrer la misma distancia, y de la misma manera medirá la velocidad de la luz como igual en las dos direcciones. Aunque, por el movimiento del tren, la luz que proviene del rayo que impacta en el último vagón tiene que viajar más distancia hasta el espectador que viaja en el tren. Alcanzándolo unos pocos instantes más tarde con relación a la luz que proviene del primer vagón del tren.
Ya que los dos pulsos de luz llegaron en instantes distintos, el observador que va en el tren solo puede pensar que el impacto no han sido simultáneos y que el impacto del primer vagón ocurrió primero que el impacto en el último vagón.
La conclusión a la que llegó Einstein en este punto, es que lo que es relativo es la simultaneidad. Y una vez que esta afirmación es aceptada por nosotros, todos los efectos extraños que vinculamos a la relatividad son únicamente una cuestión de álgebra.
La masa y la energía se hacen presentes para completar la teoría de la relatividad de Einstein
No obstante, el físico continuó obsesionado con la relatividad por unos meses más. Y en septiembre de 1905 produjo un segundo artículo con una idea adicional. Este estaba fundamentado en otro experimento mental.
En él se imaginaba a un objeto en reposo. Luego imaginaría que de manera espontánea emitía dos pulsos de luz idénticos pero en direcciones opuestas. Este objeto en reposo se quedará quieto, aunque debido a que cada pulso transporta alguna cantidad de energía, disminuirá el contenido de energía del propio objeto.
En este sentido, Einstein se preguntó, ¿cómo vería este proceso un espectador que va en movimiento? Pensó que desde su perspectiva, el objeto solo seguiría moviéndose en línea recta al tiempo que los dos pulsos echan a volar.
Sin embargo, a pesar de que la velocidad de los pulsos sería la misma, es decir, la velocidad de la luz, sus energías serían distintas. Significa que, el pulso que se mueve hacia delante, en la dirección del movimiento, poseería una energía mayor que el que se mueve hacia atrás.
Por medio de fórmulas algebraicas, el físico logró demostrar que para que todo esto tuviera sentido, el objeto no solo tiene que perder energía en el instante en que emite estos pulsos de luz, sino que además tendría que perder un poco de masa. Es decir, la masa y la energía son intercambiables.
Albert Einstein elaboró una ecuación en la que relaciona los dos conceptos. Usando la notación actual, en la que se abrevia la velocidad de la luz a través de la letra “c”, Einstein creó la que posiblemente sea la ecuación más conocida de la historia, E = mc2.
