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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 marcos 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 marcos de referencia arbitrarios.

Varios principios de la relatividad se han aplicado con éxito a lo largo de la ciencia , ya sea implícitamente (como en la mecánica newtoniana ) o explícitamente (como en la relatividad especial y la relatividad general de Albert Einstein ).

Conceptos básicos [ editar ]

Ciertos principios de la relatividad se han asumido ampliamente en la mayoría de las disciplinas científicas. Uno de los más extendidos es la creencia de que cualquier ley de la naturaleza debe ser la misma en todo momento; y las investigaciones científicas generalmente asumen 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.

Cualquier principio de relatividad prescribe una simetría en la ley natural: es decir, las leyes deben tener el mismo aspecto para un observador que para otro. Según un resultado teórico llamado teorema de Noether , cualquier simetría de este tipo también implicará una ley de conservación paralela. [1] [2] Por ejemplo, si dos observadores en diferentes veces ver las mismas leyes, a continuación, una cantidad llamada energía se conserva . Bajo esta luz, los principios de la relatividad hacen predicciones comprobables sobre cómo se comporta la naturaleza, y no son solo declaraciones sobre cómo los científicos deberían escribir leyes.

Principio especial de relatividad [ editar ]

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 se mantengan en su forma más simple, las mismas leyes se mantienen en relación con cualquier otro sistema de coordenadas K 'que se mueva en traslación uniforme relativamente a K.

-  Albert Einstein: El fundamento de la teoría general de la relatividad , Parte A, §1

Este postulado define un marco de referencia inercial .

El principio especial de la relatividad establece que las leyes físicas deben ser las mismas en todos los marcos de referencia inerciales , pero que pueden variar entre los no inerciales. Este principio se utiliza tanto en la mecánica newtoniana como en la teoría de la relatividad especial . Su influencia en este último es tan fuerte que Max Planck nombró a la teoría como el principio. [4]

El principio requiere que las leyes físicas sean las mismas para cualquier cuerpo que se mueva a velocidad constante que para un cuerpo en reposo. Una consecuencia es que un observador en un sistema de referencia inercial no puede determinar una velocidad absoluta o dirección de viaje en el espacio, y solo puede hablar de velocidad o dirección relativa a algún otro objeto.

El principio no se extiende a los marcos de referencia no inerciales porque esos marcos, en la experiencia general, no parecen regirse por las mismas leyes de la física. En la física clásica , las fuerzas ficticias se utilizan para describir la aceleración en sistemas de referencia no inerciales.

En mecánica newtoniana [ editar ]

El principio especial de la relatividad fue enunciado explícitamente por primera vez por Galileo Galilei en 1632 en su Diálogo sobre los dos sistemas mundiales principales , utilizando la metáfora de la nave de Galileo .

La mecánica newtoniana agregó al principio especial varios otros conceptos, incluidas 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 .

En relatividad especial [ editar ]

Joseph Larmor y Hendrik Lorentz descubrieron que las ecuaciones de Maxwell , la piedra angular del electromagnetismo , eran invariantes solo por 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 deben ser las mismas, ya sea para un observador fijo o para un observador llevado 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 mantiene perfectamente. Einstein elevó el principio (especial) de la relatividad a un 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) del movimiento de la fuente. Estos dos principios se reconciliaron entre sí (en el tratamiento de Einstein, aunque no en el de Poincaré) mediante un reexamen de los significados fundamentales del espacio y los intervalos de tiempo.

La fuerza de la relatividad especial radica en su derivación de principios básicos simples, incluida la invariancia de las leyes de la física bajo un cambio de 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 solo del principio de relatividad. Utilizando sólo la isotropía del espacio y la simetría implícita en el principio de relatividad especial, se puede demostrar que las transformaciones espacio-temporales entre marcos inerciales son galileanas o lorentzianas. Si la transformación es realmente galilea o lorentziana debe determinarse con experimentos físicos. No es posible concluir que la velocidad de la luz c sea ​​invariante solo por lógica matemática. En el caso de Lorentz, se puede obtener la conservación del intervalo relativista y la constancia de la velocidad de la luz. [6]

Principio general de relatividad [ editar ]

El principio general de la 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 , p. 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 , aunque una partícula en reposo no lo hace. Si consideramos ahora la misma partícula cargada acelerada en su marco de reposo no inercial, emite radiación en reposo.

La física en los marcos de referencia no inerciales se trató históricamente mediante una transformación de coordenadas , primero, a un marco de referencia inercial, realizando los cálculos necesarios en el mismo, y utilizando otro para volver al marco de referencia no inercial. En la mayoría de estas situaciones, se pueden utilizar las mismas leyes de la física si se añaden en consideración ciertas fuerzas ficticias predecibles ; un ejemplo es un marco de referencia que gira uniformemente , que puede tratarse como un marco de referencia inercial si se agrega una fuerza centrífuga ficticia y una fuerza de Coriolis en consideración.

Los problemas involucrados no siempre son tan triviales. La relatividad especial predice que un observador en un marco de referencia inercial no ve objetos que él describiría como que se mueven más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, en el marco de referencia no inercial de la Tierra , que trata un punto de la Tierra como un punto fijo, se observa que las estrellas se mueven en el cielo, dando vueltas alrededor de la Tierra una vez al día. Dado que las estrellas están a años luz de distancia, esta observación significa que, en el marco de referencia no inercial de la Tierra, cualquiera que mire las estrellas está viendo objetos que, para ellos, parecen moverse más rápido que la velocidad de la luz.

Dado que los marcos de referencia no inerciales no se rigen por el principio especial de la relatividad, estas situaciones no son contradictorias en sí mismas .

Relatividad general [ editar ]

La relatividad general fue desarrollada por Einstein en los años 1907-1915. La relatividad general postula que la covarianza de Lorentz global de la relatividad especial se convierte en una covarianza de Lorentz local en presencia de materia. La presencia de materia "curva" el espacio-tiempo , y esta curvatura afecta el camino de las partículas libres (e incluso el camino 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 a la teoría por el principio subyacente.

Ver también [ editar ]

  • Independencia de fondo
  • Principio de uniformidad
  • Principio de covarianza
  • Principio de equivalencia
  • Marco preferido
  • Radiación cósmica de fondo de microondas
  • Relatividad especial, incluida la introducción a la relatividad especial
  • Relatividad general, incluida la introducción a la relatividad general
  • Relatividad galilea
  • Lista de publicaciones importantes en física: Relatividad
  • Invariante
  • Diámetros conjugados
  • Leyes de Newton

Notas y referencias [ editar ]

  1. ^ Deriglazov, Alexei (2010). Mecánica clásica: formalismo hamiltoniano y lagrangiano . Saltador. pag. 111. ISBN 978-3-642-14037-2. Extracto de la página 111
  2. ^ Schwarzbach, Bertram E .; Kosmann-Schwarzbach, Yvette (2010). Los teoremas de Noether: leyes de invariancia y conservación en el siglo XX . Saltador. pag. 174. ISBN 978-0-387-87868-3. Extracto de la página 174
  3. ^ Einstein, A., Lorentz, HA, Minkowski, H. y Weyl, H. (1952) [1923]. Arnold Sommerfeld (ed.). El principio de la relatividad: una colección de memorias originales sobre la teoría general y especial de la relatividad . Mineola, NY: Publicaciones de Dover. pag. 111. ISBN 0-486-60081-5.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  4. ^ Weistein, Galina (2015). El camino de Einstein hacia la teoría especial de la relatividad . Publicación de becarios de Cambridge. pag. 272. ISBN 978-1-4438-7889-0. Extracto de la página 272
  5. Poincaré, Henri (1904-1906). "Los principios de la física matemática"  . Congreso de artes y ciencias, exposición universal, St. Louis, 1904 . 1 . Boston y Nueva York: Houghton, Mifflin and Company. págs. 604–622.
  6. ^ Yaakov Friedman, Aplicaciones físicas de bolas homogéneas , Progreso en física matemática 40 Birkhäuser, Boston, 2004, páginas 1-21.
  7. C. Møller (1952). La teoría de la relatividad (2ª ed.). Delhi: Prensa de la Universidad de Oxford. pag. 220. ISBN 0-19-560539-X.

Lectura adicional [ editar ]

Vea las referencias de relatividad especial y las referencias de relatividad general .

Enlaces externos [ editar ]

  • Wikilibros: Relatividad especial
  • Living Reviews in Relativity : una revista de física en línea de acceso abierto, referida por pares, que publica reseñas invitadas que cubren todas las áreas de la investigación de la relatividad.
  • MathPages - Reflexiones sobre la relatividad - Un curso en línea completo sobre relatividad.
  • Simulador de relatividad especial
  • Un tutorial de relatividad en Caltech : una introducción básica a los conceptos de relatividad general y especial, así como a la astrofísica.
  • Relatividad, gravedad y cosmología : un curso corto que se ofrece en el MIT.
  • Relatividad en clips de películas y animaciones de la Universidad de Nueva Gales del Sur.
  • Clip de animación que visualiza los efectos de la relatividad especial en objetos que se mueven rápidamente.
  • Calculadora de relatividad - Aprenda matemáticas de relatividad especial Las matemáticas de la relatividad especial presentadas de la manera más simple y completa posible dentro de contextos filosóficos e históricos.