RELATIVIDAD ESPECIAL Y GENERAL Materia: Física EXTENSO Autor: Bartolo Luque Serrano Guión: 1. Teoría Especial de la Relatividad 1.1 El experimento de Michelson-Morley 1.2 Postulados de la Teoría Especial de la Relatividad 1.3 Las transformaciones de Lorentz 1.4 Dilatación temporal 1.5 Contracción de longitudes 1.6 Relatividad de la simultaneidad 1.7 Equivalencia entre masa y energía 2. Teoría General de la Relatividad 2.1 El espacio-tiempo 2.2 Masa inercial y masa gravitatoria: el principio de equivalencia 2.3 Principio de Relatividad Generalizado 2.4 Contrastación experimental de la Teoría General de la Relatividad 1. Teoría Especial de la Relatividad La Teoría de la Relatividad suele presentarse siguiendo su desarrollo histórico en dos fases: la Teoría Especial de la Relatividad y la Teoría General de la Relatividad. La Teoría General contiene como subcaso a la Teoría Especial. Contrariamente a lo que mucha gente piensa, la Teoría de la Relatividad no dice que todo es relativo. Establece que ciertas nociones que pensábamos absolutas, como las de distancia o intervalo temporal, son relativas, dependientes del observador. E introduce nuevas medidas que son absolutas, invariantes, independientes del observador que las mide. En la raíz de la teoría de la Relatividad se encuentra la pregunta de fondo que se remonta hasta los inicios de la revolución científica: ¿es absoluto el movimiento? 1.1 El experimento de Michelson-Morley En el siglo XVII Isaac Newton, en la obra fundacional de la mecánica Principia Mathemática, propuso un espacio absoluto e inmutable que podía utilizarse como sistema de referencia absoluto para el movimiento. En siglo XIX, James C. Maxwell unificó bajo una misma teoría la electricidad y el magnetismo. Su teoría electromagnética determinaba que la luz era una onda que se propagaba en el vacío. Hasta ese momento los físicos pensaban que las ondas necesitaban siempre un soporte material para su transmisión. El sonido se transmitía a través del aire y las olas en el agua, por ejemplo. Muchos físicos pensaron que debía existir un soporte semejante para las ondas electromagnéticas y lo denominaron éter. El éter debía ser una sustancia realmente extraña. Según sus defensores llenaba todo el espacio y era indetectable de forma directa. Puesto que el espacio mismo se consideraba una especie de receptáculo pasivo donde transcurría la dinámica del universo, el éter que lo llenaba estaba fijo y podría utilizarse como sistema de referencia absoluto siguiendo las sugerencias de Newton. <Fig. 1: Uno de los montajes experimentales originales de MichelsonMorley> Para demostrar su existencia se propusieron una serie de experimentos. Entre ellos el más famoso fue el experimento de A. Michelson y E. Morley realizado en 1887. Se pretendía medir la velocidad absoluta de la Tierra con respecto al éter. El montaje experimental conseguía dividir un rayo de luz en dos rayos en sentidos opuestos entre sí gracias a un juego de espejos. Un rayo se dirigía en el sentido del movimiento terrestre y otro en el opuesto. Se esperaba que existiera diferencia de velocidades entre ambos rayos. Era como intentar medir la diferencia de velocidades de los rayos de luz que emite los faros delanteros y las luces de posición traseras de un coche que se mueve a gran velocidad. Aparentemente la luz emitida en la dirección del movimiento debería moverse a mayor velocidad que la trasera. Pero no se detectaba tal diferencia en el experimento. El resultado no logró explicarse hasta 1905. En realidad la preguntan que hacían Michelson y Morley a la Naturaleza era: ¿si un móvil emite luz en el sentido de su movimiento y en el contrario, en qué sentido se mueve más rápido la luz? La física clásica diría que en el sentido del movimiento. La respuesta de la Naturaleza fue: la velocidad es la misma en ambos sentidos. 1.2 Postulados de la Teoría Especial de la Relatividad En 1905 Albert Einstein sentó las bases de la Teoría Especial de la Relatividad. No conocía por aquel entonces el experimento de Michelson-Morley, pero su teoría proporcionó una elegante explicación de los resultados. Propuso la Teoría Especial de la Relatividad basándola en un par de postulados sencillos y a partir de ellos levantó todo un edificio. Los postulados son: 1. Principio de relatividad: las leyes de la física son idénticas en todos los sistemas de referencia inerciales. Este principio fue establecido inicialmente por Galileo en el estudio de la cinemática y la dinámica y es conocido como relatividad galileana. Otra manera de enunciarlo es diciendo que no existe experimento alguno capaz de determinar la velocidad absoluta de un sistema de referencia inercial. A. Einstein incluyó a los experimentos mecánicos de Galileo, cualquier tipo de experimento, incluyendo a los ópticos y electromagnéticos. 2. La velocidad de la luz en el vacío es siempre constante independientemente de la velocidad de la fuente emisora. <Fig. 2: Albert Einstein> La afirmación realmente novedosa fue la constancia de la velocidad de la luz en el vacío. Hoy es un hecho experimental bien establecido que la velocidad de la luz en el vacío, c = 2.997925 0.000003 108 m/s, no depende de la fuente emisora. No debería confundirse con suponer que la velocidad de la luz es constante respecto a un observador que se mueve uniformemente. Esto se deduce de los postulados. Recordemos además que la luz viaja más despacio en medios transparentes. Otros físicos habían pensado antes en la conveniencia de estos dos postulados, pero llegaron a la conclusión de que eran incompatibles. Según Einstein debíamos zafarnos de nuestra creencia clásica de que el tiempo y la longitud son absolutos. ¿Qué quería decir Einstein con estas palabras? <Fig. 3:Dos sistemas de referencia inerciales: El observador O mide coordenadas (x,y,z,t) y el observador O’ mide coordenadas (x’, y’, z’, t’). Visto desde O el observador O’ se mueve a velocidad v en el eje de las x con su nave espacial.> 1.3 Las transformaciones de Lorentz Las transformaciones clásicas de Galileo nos dicen como relacionar las coordenadas (x, y, z, t) espaciales y temporales de un suceso para un observador inercial O con las (x’, y’, z’, t’) de un observador inercial O’ a velocidad v respecto a él. Si por simplicidad suponemos que la velocidad v posee componente sólo en el eje x, tenemos: x x' vt y y' z z' t t' Es fácil ver que las transformaciones de Galileo proporcionan intervalos de longitud y tiempo absolutos, independientes del sistema de referencia inercial que los mide. La distancia x=x2-x1 es igual a la distancia x’=x’2-x’1 y los intervalos de tiempos entre sucesos también. Además las velocidades que ambos sistemas de referencia asignan a los cuerpos diferirán siempre en la velocidad relativa que existe entre los sistemas de referencia. Si asumimos los postulados de la Relatividad Especial, las transformaciones de Galileo nos conducen a contradicciones. Las transformaciones correctas compatibles con los postulados son las de Lorentz: x x ' vt ' v2 1 2 c y y' z z' v t 2 x' c t v2 1 2 c Y estas transformaciones nos llevan a resultados sorprendentes como la dilatación temporal, la contracción de longitudes o la relatividad de la simultaneidad. 1.4 Dilatación temporal Partiendo de las transformaciones de Lorentz podemos determinar como serán las medidas de tiempos y distancias vistas por distintos observadores en sistemas de referencia inerciales. Por ejemplo, supongamos que estamos fijos en un sistema de referencia inercial O. Imaginemos otro observador O’ en un sistema de referencia inercial que se mueve a velocidad v respecto a nosotros, en una nave espacial por ejemplo. Lleva un reloj en su muñeca que marca las 12 en punto y un tiempo t’ de una hora después, según su observación, marca las 13. Nosotros medimos el intervalo de tiempo entre que su reloj marca las 12 y las 13 y obtenemos t. La cinemática clásica nos dice que ambos intervalos serán idénticos, de una hora en nuestro ejemplo. La Teoría Especial de la Relatividad dice que la física clásica es incorrecta y que nuestra intuición nos engaña. Según nuestro cronómetro, el reloj del segundo observador retrasa. Visto desde nuestro sistema de referencia todo parece transcurrir más lento en la nave espacial. Nosotros mediremos: t t ' 1 v2 c2 Supongamos que v es igual a la mitad de la velocidad de la luz. Entonces: t 2 t ' 3 y si el viajero mide t’ = 1 h, nosotros observamos t = 1,15 h . Desde la perspectiva del viajero las cosas son absolutamente simétricas. Su nave es un sistema de referencia inercial fijo y por tanto somos nosotros quienes nos movemos a velocidad v. Así que nuestros tiempos le parecen dilatados. ¿Quién tiene razón? Según la Teoría Especial sencillamente esta pregunta no tiene sentido, al igual que no tiene sentido decir quién se está moviendo y quién no. La dilatación temporal se comprueba hoy en día de forma rutinaria en los aceleradores de partículas. Los tiempos de desintegración de las partículas se ajustan a las predicciones teóricas de la Teoría Especial. 1.5 Contracción de longitudes Las longitudes tampoco se libran de resultados tan chocantes a la intuición. Utilizando de nuevo las transformaciones de Lorentz es fácil demostrar que las longitudes el la dirección del movimiento sufren contracciones. De nuevo, supongamos que permanecemos fijos en un sistema inercial y medimos una distancia entre dos puntos del espacio con valor L. Para nuestro segundo observador con velocidad v respecto a nosotros, su medida arrojará un valor menor L’ que L. La relación exacta según la Relatividad es: L L' 1 v2 c2 Se produce por tanto una contracción en las medidas de distancia. Esta contracción se produce en la dirección del movimiento, permaneciendo inalteradas el resto de direcciones. Para una velocidad, de nuevo, v = 1/2 c, tendríamos: L 3 L' 2 Es decir, si L’ = 1 m, entonces L= 0,87 m. Observemos que el factor de dilatación-contracción es: 1 v2 c2 Para valores pequeños de v, 1 y las transformaciones de Lorentz se convierten en las clásicas galileanas. Decimos que estamos en el límite clásico. De modo que la Teoría Especial contiene a la cinemática clásica en el límite v/c prácticamente cero. Para velocidades pequeñas comparadas a la velocidad de la luz, v<<c, la Teoría Especial es equivalente a la dinámica clásica. 1.6 Relatividad de la simultaneidad Si las dilataciones y contracciones temporales y longitudinales son sorprendentes, la palma del impacto a la intuición se la lleva el concepto de simultaneidad de sucesos. Según la Relatividad este concepto también es relativo. Volvamos a nuestros dos sistemas de referencia inerciales. En la nave en movimiento se producen dos sucesos, uno en la parte trasera de posición x’ 1 = a en su sistema de referencia y otro en la parte delantera de coordenadas x’ 2 = b. Llamemos x’ = x’2 - x’2. Puesto que ambos sucesos son simultáneos el viajero considera que se producen al mismo tiempo t’. ¿Qué observaremos nosotros desde nuestro sistema de referencia? A través de las transformaciones de Lorentz podemos calcular los tiempos t 1 y t2 correspondientes a t’ en x’1 y x’2. Si calculamos la diferencia entre estos dos tiempos tendremos: t t2 t1 v c2 x' v2 1 2 c Observemos que si x’ = 0, los sucesos ocurren en el mismo punto simultáneamente, entonces t = 0. Es decir, serán simultáneos, como no podría ser de otra manera para ambos observadores. Pero, si x’ 0, existen una distancia entre ambos sucesos, entonces t puede ser positivo o negativo dependiendo del signo de x’. De modo que podemos declarar que un suceso es anterior a otro o lo contrario. La simultaneidad es relativa, depende del observador contrariamente a lo que nos sugiera la intuición. 1.7 Equivalencia entre masa y energía. Otra de las consecuencias de la Relatividad Especial es que la energía total relativista E de una partícula libre es: E m c2 donde m es la masa de la partícula y c la velocidad de la luz. Esta relación es extraordinaria pues nos está describiendo una identidad entre la masa y la energía. Fue la puerta que abrió el camino a la energía nuclear y la responsable teórica en última instancia de las bombas atómicas y las centrales nucleares. <Fig. 4: Explosión nuclear> Puesto que de la física clásica sabemos que la energía cinética de una partícula libre depende de su velocidad y c es constante por el segundo postulado relativista, entonces necesariamente la masa dependerá de la velocidad. El valor de esta masa, denominada masa relativista, es: m( v ) m0 1 v2 c2 donde v es la velocidad de la partícula libre desde nuestro sistema de referencia inercial y m 0 es la masa en reposo, es decir con velocidad v = 0 en nuestro sistema. Por abuso de lenguaje cuando se usa el término de masa de una partícula se hace referencia a su masa en reposo. La masa en reposo es la magnitud equivalente a la masa inercial de la mecánica clásica. Su valor para una partícula es invariante, mientras que su masa relativista depende de v y por tanto del sistema de referencia de medida. De este modo la energía relativista de una partícula en reposo será invariante, pero la energía relativista total dependerá del sistema de referencia. Observemos por la ecuación que si m0 es distinta de cero, entonces necesariamente la partícula no puede encontrarse a una velocidad superior a c, puesto que en ese caso su masa relativista sería un número imaginario. De modo que según la Teoría de la Relatividad Especial ningún cuerpo puede superar la velocidad de la luz en el vacío. Observemos que al aumentar v, aumenta la masa relativista. Si aceleramos un cuerpo al aumentar su velocidad su masa aumenta. Y para seguir acelerando debemos incrementar el aporte de energía. En el límite v tendiendo a c tendríamos que la masa relativista sería infinita. Es decir, deberíamos aportar infinita energía para conseguirlo. ¿Existen sin embargo partículas en el Universo con velocidad c? Evidentemente sí. Los propios fotones que componen la luz son partículas que se desplazan a velocidad c. La única manera de hacer compatible este hecho con la ecuación de masa relativista es asignar masa en reposo nula a tales partículas. Podemos definir el momento lineal de una partícula libre en una dimensión como: p m0 v2 1 2 c v Así podemos encontrar una expresión para la energía relativista en función del momento lineal: E 2 p 2 c 2 m0 c 4 2 De esta expresión determinamos la energía relativista total de una partícula de masa nula como un fotón. Será: E pc Puesto que tanto la masa en reposo m 0 como c son invariantes, de la ecuación anterior deducimos que: E 2 p 2 c 2 m0 c 4 2 es decir, la diferencia de los cuadrados de la energía relativista total y pc es un invariante relativista. Es una de esas magnitudes a las que hacíamos referencia al principio del tema que son absolutas e independientes del sistema de referencia inercial. 2. Teoría General de la Relatividad 2.1 El espacio-tiempo A los pocos años de la presentación de la Relatividad Especial el matemático Hermann Minkowski formalizó elegantemente la teoría. Propuso una fusión entre el espacio y el tiempo, el espacio-tiempo cuatridimensional, como magnitud invariante en la Relatividad. En sus propias palabras: “Las consideraciones sobre el espacio y el tiempo que quisiera presentarles surgieron en el seno de la física experimental, y en ello radica su fuerza. Son radicales. De ahora en adelante el espacio en sí mismo y el tiempo en sí mismo están condenados a ser sombras; sólo un tipo de unión entre los dos conservará una realidad independiente”. <Fig. 5: Hermann Minkowski > Al igual que la distancia euclídea es un invariante frente a distintos sistemas de referencia que están rotados, por ejemplo; en el espacio-tiempo, el invariante es el intervalo entre dos sucesos. Desde el punto de vista de la Relatividad nuestras medidas de espacio y tiempo son como proyecciones independientes desde un determinado ángulo, nuestro sistema de referencia, de un absoluto que es el espacio-tiempo. Distintos observadores en distintos sistemas de referencia podrán medir diferentes valores para tiempos y distancias; pero alcanzarán total acuerdo en el intervalo espacio-temporal de medida. En 1916 Einstein extendió los conceptos de la Relatividad Especial para explicar la atracción gravitatoria entre masas, en su llamada Teoría General de la Relatividad. Imaginemos dos masas ejerciéndose una fuerza gravitatoria entre sí. Supongamos que una de las masa cambia repentinamente de posición. ¿Cuánto tiempo tardan ambos cuerpos en sentir la nueva fuerza de atracción? Según la física clásica el tiempo es nulo. Es decir la fuerza gravitatoria se transmite a velocidad infinita. Pero según la Relatividad Especial nada se mueve a mayor velocidad que la luz en el vacío. ¿Cómo solventa este dilema la Teoría General de la Relatividad? La geometría en matemáticas había estado presidida por Euclides durante más de 2000 años. En el siglo XIX matemáticos como K. F. Gauss, J. Bolya o N. I. Lobachevsky, por mencionar a unos pocos, pusieron en duda el famoso axioma de las paralelas de Euclides y desarrollaron todo un conjunto de nuevas geometrías. Estas geometrías se dividen a grandes rasgos en tres categorías: de curvatura positiva, negativa y nula. En dos dimensiones un plano tendría curvatura nula, la superficie de una esfera curvatura positiva y la superficie de una silla de montar curvatura negativa. La Relatividad General nos dice que en realidad la atracción gravitatoria es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. La presencia de una masa curva el espacio-tiempo. Una analogía reveladora, propuesta por primera vez por A. Eddington para divulgar la Teoría General, consiste en imaginar una superficie elástica como una sábana tensa. Esto sería el equivalente al espacio-tiempo. Cuando en ella posamos una bola pesada, el equivalente al Sol por ejemplo, la sábana se deforma. La fuerza de atracción que siente un planeta, una pequeña bola a cierta distancia de la bola central, es consecuencia de la deformación del espacio. <Fig. 6: Deformación del espacio-tiempo por la presencia de un objeto masivo.> 2.2 Masa gravitatoria e inercial: el principio de equivalencia La Relatividad General añade además otro punto crucial: la fuerza que sentimos en un sistema acelerado es de la misma naturaleza que la ejercida por una atracción gravitatoria. Para entender que se quiere decir con esto debemos hablar de masa gravitatoria e inercial. La sensación de peso que percibimos es debida a la atracción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre nuestra masa. Nuestro peso en la Luna es una seis veces inferior, a pesar de que nuestra masa sigue siendo la misma. En este caso estamos hablando de masa gravitatoria. Queda definida a través de la fuerza gravitatoria. Si pensamos, sin embargo, en la resistencia que ofrece un coche a ser acelerado por el hecho de tener masa, nos estamos refiriendo a la masa inercial. Un coche con más masa ofrece más resistencia al cambio de velocidad. En este caso definimos masa a partir de la segunda ley de Newton. En el siglo XIX R. Von Eötvos demostró experimentalmente con enorme precisión que el cociente entre la masa gravitatoria e inercial de distintas sustancias eran idénticos. Todos los experimentos realizados para medir diferencias entre la masa inercial y la masa gravitatoria han concluido con su equivalencia. Einstein postuló esta igualdad entre masa inercial y gravitatoria para desarrollar la Teoría de la Relatividad General. De hecho, ya Galileo hizo notar que dos cuerpos de masas distintas eran atraídos por la Tierra con la misma aceleración. Es decir, la aceleración de un cuerpo en un campo gravitatorio no depende de su masa. Que dos cuerpos de distinta masa caigan con la misma velocidad es de hecho una consecuencia directa de la equivalencia entre masa inercial y gravitatoria. Einstein postuló el principio de equivalencia, su tercer postulado, que asume esta igualdad. Supongamos que un observador inercial determina que otro segundo sistema de referencia está acelerado uniformemente. El principio de equivalencia establece que para el observador inercial es indiferente suponer que está acelerado uniformemente o considerarlo en reposo con la presencia de un campo gravitatorio uniforme. Supongamos una serie de cuerpos que vistos por el sistema inercial inicial están en reposo. Vistos por el sistema acelerado uniformemente se observarán acelerados uniformemente. De modo que se observarían como si todo estuviera acelerado por un campo gravitatorio. 2.3 Principio de Relatividad Generalizado Hecha esta equivalencia, Einstein propuso su cuarto postulado, que en realidad es una generalización del primero. En vez de establecer solo que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales, amplió la vigencia de las leyes físicas a todos los posibles sistemas de referencia, fueran inerciales o no. Consideremos un hombre dentro de un ascensor en caída libre en un campo gravitatorio uniforme. Un par de objetos le acompañan en la caída, permaneciendo fijos en sus posiciones para nuestro observador en el ascensor, ya que el campo gravitatorio acelera idénticamente a todos los cuerpos independientemente de sus masas. Si empuja uno de los objetos le imprimirá una velocidad que mantendrán en línea recta. Para este observador su sistema es inercial. Pensemos ahora en una variante. Imaginemos que una fuerza constante tira de nuestro ascensor. Razonemos de forma mecánico-clásica. Esto provocará una aceleración constante en los objetos presentes. Esto será correcto si nuestra aceleración es pequeña y las velocidades involucradas son muy inferiores a c de modo que la aproximación newtoniana sea válida. El hombre tendrá la sensación de peso y observará como los objetos se aceleran hacia el suelo del ascensor con la misma aceleración uniforme. Concluirá que se encuentra en un campo gravitatorio. Imaginemos que un rayo de luz entra por un agujero en la pared vertical del ascensor. Visto por un observador externo, puesto que el ascensor está acelerado hacia arriba, el observador interno debería describir la trayectoria de la luz curvándose hacia el suelo. ¿Verá esto realmente el personaje del ascensor? ¿Cómo puede hacerlo compatible, si es así, con su idea de la existencia de un campo gravitatorio si la luz no posee masa? Recordemos que existe una equivalencia entre masa y energía. Efectivamente la masa en reposo de los fotones que componen la luz es nula, pero su energía tiene una equivalencia en masa: m = E/c 2 y por lo tanto sufrirán una aceleración: la trayectoria de la luz se curvará. Todos estos razonamientos son extensibles a cualquier tipo de movimiento, tanto sean rotaciones o aceleraciones no uniformes. Todos los sistemas no inerciales pueden ser entendidos, por tanto, como sistemas inerciales sometidos a un campo gravitatorio. 2.3 Contrastación experimental de la Teoría General de la Relatividad La Teoría General ha sido contrastada experimentalmente, a pesar de las dificultades que entraña hacerlo, desde su publicación en 1916 por distintas vías. Predice que la luz es desviada por la presencia de masa, por campos gravitatorios, como ocurría en nuestro ejemplo del ascensor. Este fenómeno fue observado por primera vez por sir Arthur Eddington en el eclipse solar del 29 de mayo de 1919. Al efecto de desviación de la luz se le conoce como efecto lente gravitatoria. En 1920 Eddington sugirió la posibilidad de que si una estrella actuaba como lente gravitatoria podía producir una imagen doble de otra estrella más lejana. En 1924 Chwolson hizo notar que, si la estrella y la lente estuvieran perfectamente alineadas con el observador, éste vería como imagen un anillo alrededor de la lente, los hoy llamados anillos de Einstein. En 1979 se confirmó el primer caso de imagen múltiple por el efecto de lente gravitatoria para un cuásar por efecto lente de una galaxia. En los últimos años se han descubierto casi un centenar de lentes gravitatorias. <Fig. 7: Imagen del telescopio Hubble donde aparecen objetos azules que son múltiples imágenes de una misma galaxia producidas por una lente gravitacional.> Mercurio es el planeta más cercano al Sol. Su órbita es muy excéntrica: en su perihelio se acerca a 46 millones de kilómetros, mientras que en su afelio se aleja a 70 millones de kilómetros del Sol. El perihelio de la órbita de Mercurio se desplaza lentamente a lo largo del tiempo. Estos desplazamientos no podían ser explicados por la física clásica. La Teoría General dio cuenta de estas desviaciones con un gran grado de precisión excelente. La teoría predice también un corrimiento espectral 'hacia el rojo' de la luz en presencia de un campo gravitatorio. Fue detectado por primera vez por Pound y Rebka en 1960. Una de las deducciones de la Teoría General, que los relojes se ralentizan en presencia de campos gravitatorios, y lo hacen tanto más cuanto más intenso sea el campo, se comprobó experimentalmente por primera vez por J. C. Hafele y R. Keating en 1971. La teoría predice la existencia de agujeros negros de los que disponemos pruebas sólidas de existencia real o las ondas gravitatorias, que se muestran todavía esquivas a la detección.