Relatividad especial

En física , la teoría de la relatividad especial , o la relatividad especial para abreviar, es una teoría científica sobre la relación entre el espacio y el tiempo . En el tratamiento original de Albert Einstein , la teoría se basa en dos postulados : [p 1] [1] [2]

La relatividad especial fue propuesta originalmente por Albert Einstein en un artículo publicado el 26 de septiembre de 1905 titulado " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ". [p 1] La incompatibilidad de la mecánica newtoniana con las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell y, experimentalmente, el resultado nulo de Michelson-Morley (y experimentos similares posteriores) demostraron que el éter luminífero históricamente hipotetizado no existía. Esto llevó al desarrollo de Einstein de la relatividad especial, que corrige la mecánica para manejar situaciones que involucran todos los movimientos y especialmente aquellos a una velocidad cercana a la de la luz (conocida comovelocidades relativistas ). Hoy en día, se ha demostrado que la relatividad especial es el modelo de movimiento más preciso a cualquier velocidad cuando los efectos gravitacionales y cuánticos son insignificantes. [3] [4] Aun así, el modelo newtoniano sigue siendo válido como una aproximación simple y precisa a velocidades bajas (relativas a la velocidad de la luz), por ejemplo, los movimientos cotidianos en la Tierra.

La relatividad especial tiene una amplia gama de consecuencias que se han verificado experimentalmente. [5] Incluyen la relatividad de la simultaneidad , la contracción de la longitud , la dilatación del tiempo , la fórmula de adición de velocidad relativista, el efecto Doppler relativista , la masa relativista , un límite de velocidad universal , la equivalencia masa-energía , la velocidad de causalidad y la precesión de Thomas . [1] [2] Por ejemplo, ha reemplazado la noción convencional de un tiempo universal absoluto con la noción de un tiempo que depende del marco de referencia y del espacioposición. En lugar de un intervalo de tiempo invariante entre dos eventos, existe un intervalo de espacio-tiempo invariante . Combinados con otras leyes de la física, los dos postulados de la relatividad especial predicen la equivalencia de masa y energía , como se expresa en la fórmula de equivalencia de masa-energía , donde es la velocidad de la luz en el vacío. [6] [7] También explica cómo se relacionan los fenómenos de la electricidad y el magnetismo. [1] [2]

Una característica definitoria de la relatividad especial es el reemplazo de las transformaciones galileanas de la mecánica newtoniana por las transformaciones de Lorentz . El tiempo y el espacio no pueden definirse por separado (como se pensaba anteriormente). Más bien, el espacio y el tiempo están entretejidos en un único continuo conocido como "espacio-tiempo" . Los eventos que ocurren al mismo tiempo para un observador pueden ocurrir en diferentes momentos para otro.

Hasta que Einstein desarrolló la relatividad general , introduciendo un espacio-tiempo curvo para incorporar la gravedad, no se utilizó la frase "relatividad especial". Una traducción que se utiliza a veces es "relatividad restringida"; "especial" realmente significa "caso especial". [p 2] [p 3] [p 4] [nota 1] Parte del trabajo de Albert Einstein en relatividad especial se basa en el trabajo anterior de Hendrik Lorentz y Henri Poincaré . La teoría se completó esencialmente en 1907. [4]

La teoría es "especial" en el sentido de que sólo se aplica en el caso especial en el que el espacio-tiempo es "plano", es decir, la curvatura del espacio-tiempo , descrita por el tensor de energía-momento y que causa la gravedad , es despreciable. [8] [nota 2] Para acomodar correctamente la gravedad, Einstein formuló la relatividad general en 1915. La relatividad especial, contrariamente a algunas descripciones históricas, admite tanto las aceleraciones como los marcos de referencia acelerados . [9] [10]

Albert Einstein en torno a 1905, año en que su " annus Mirabilis documentos se publicaron". Estos incluyeron Zur Elektrodynamik bewegter Körper , el artículo que fundó la relatividad especial.
Figura 2-1. El sistema cebado está en movimiento en relación con el sistema no cebado con velocidad constante v sólo a lo largo del eje x , desde la perspectiva de un observador estacionario en el sistema no cebado. Por el principio de relatividad , un observador estacionario en el sistema cebado verá una construcción similar, excepto que la velocidad que registre será - v . El cambio de la velocidad de propagación de la interacción de infinito en la mecánica no relativista a un valor finito requerirá una modificación de las ecuaciones de transformación que mapean eventos en un marco a otro.
Figura 3-1. Dibujar un diagrama de espacio-tiempo de Minkowski para ilustrar una transformación de Lorentz.
Figura 4-1. Los tres eventos (A, B, C) son simultáneas en el sistema de referencia de algún observador O . En un marco de referencia que se mueve en v = 0.3 c , medido por O , los eventos ocurren en el orden C, B, A. En un marco de referencia que se mueve en v = −0.5 c con respecto a O , los eventos ocurren en el orden A, B, C. Las líneas blancas, las líneas de simultaneidad , se mueven del pasado al futuro en los respectivos marcos (ejes de coordenadas verdes), resaltando los eventos que residen en ellos. Son el lugar de todos los eventos que ocurren al mismo tiempo en el marco respectivo. El área gris es el cono de luz. con respecto al origen de todos los fotogramas considerados.
Figura 4-2. Rotación Thomas – Wigner
Figura 4–3. Cono de luz
Figura 4-4. Violación de la causalidad por el uso de
"comunicadores instantáneos" ficticios
Figura 5-1. Diagrama muy simplificado del experimento de Fizeau de 1851.
Figura 5-2. Ilustración de aberración estelar
Figura 5-3. Efecto Doppler transversal para dos escenarios: (a) receptor moviéndose en un círculo alrededor de la fuente; (b) fuente moviéndose en un círculo alrededor del receptor.
Figura 5-4. Comparación de la contracción de la longitud medida de un cubo frente a su apariencia visual.
Figura 5-5. Galaxy M87 emite un chorro de electrones y otras partículas subatómicas alimentadas por un agujero negro que viajan casi a la velocidad de la luz.
Figura 10-1. Ortogonalidad y rotación de sistemas de coordenadas comparados entre izquierda: espacio euclidiano a través de un ángulo circular φ , derecha: en el espacio-tiempo de Minkowski a través del ángulo hiperbólico φ (las líneas rojas etiquetadas con c denotan las líneas de mundo de una señal de luz, un vector es ortogonal a sí mismo si se encuentra en este línea). [sesenta y cinco]
Figura 10-2. Doble cono tridimensional.
Figura 10-3. Esferas concéntricas, que ilustran en 3 espacios las geodésicas nulas de un cono de 4 dimensiones en el espacio-tiempo.