Fundamentos de la Relatividad: De Galileo a Einstein y la Constancia de la Luz

Principio de Relatividad de Galileo

El estudio del movimiento depende fundamentalmente del sistema de referencia elegido. Distinguimos entre:

• Sistemas Inerciales: Son aquellos en los que se cumple la Primera Ley de Newton o Ley de Inercia. En estos sistemas, las únicas fuerzas que causan variaciones en los movimientos son las fuerzas reales, es decir, fuerzas que cumplen la Tercera Ley de Newton (acción y reacción). Todos los sistemas inerciales están en reposo o se mueven con movimiento rectilíneo uniforme unos respecto a otros.
• Sistemas No Inerciales: Son aquellos en los que no se cumple la Primera Ley de Newton o Principio de Inercia. En ellos, para explicar las aceleraciones observadas, es necesario introducir fuerzas ficticias (como la fuerza centrífuga o la de Coriolis), caracterizadas por no tener una reacción asociada, es decir, por no cumplir la Tercera Ley de Newton. Todos los sistemas no inerciales están acelerados respecto a cualquier sistema inercial.

El Principio de Relatividad de Galileo

Galileo Galilei estableció su principio de relatividad, que afirma:

"Cualquier experimento mecánico realizado en un sistema de referencia en reposo se desarrollará exactamente igual en un sistema que se mueva a velocidad constante con relación al primero."

Esto implica que, mediante experimentos mecánicos, es imposible distinguir si un sistema inercial está en reposo absoluto o en movimiento rectilíneo uniforme.

Transformaciones Galileanas e Invariantes

Bajo las transformaciones de Galileo (que relacionan las coordenadas y velocidades entre sistemas inerciales en la mecánica clásica), magnitudes como el tiempo y la masa se consideran invariantes, es decir, iguales para todos los observadores inerciales.

Física Relativista: La Revolución de Einstein

Antes de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, prevalecía la idea de que existía una sustancia hipotética llamada éter, que se creía llenaba todo el espacio y era el medio necesario para la propagación de la luz. Sin embargo, el experimento de Michelson y Morley arrojó un resultado sorprendente y fundamental:

Experiencia de Michelson-Morley

Este crucial experimento, realizado a finales del siglo XIX, intentó detectar el movimiento de la Tierra respecto al supuesto éter. Sus resultados negativos demostraron:

• La no existencia del éter como medio para la propagación de la luz.
• Que la velocidad de la luz en el vacío (c) es constante en todos los sistemas inerciales, independientemente de la velocidad de la fuente emisora o del observador.

Teoría de la Relatividad Especial (1905)

Basándose en estos resultados y en profundas reflexiones teóricas, Albert Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad Especial. Esta teoría revolucionó la física al proponer una nueva concepción del espacio y el tiempo, especialmente para sistemas que se mueven a velocidades constantes unos respecto a otros. Se fundamenta en dos postulados esenciales:

1. Principio de Relatividad: "Las leyes físicas son idénticas en todos los sistemas inerciales y se expresan mediante ecuaciones análogas." Este postulado generaliza el principio de Galileo a todas las leyes de la física (no solo la mecánica) y establece la imposibilidad de definir un movimiento absoluto. Solo tiene significado físico el movimiento relativo de un sistema respecto a otro.
2. Constancia de la Velocidad de la Luz: "La velocidad de la luz en el vacío (c) es constante y la máxima posible en nuestro universo, siendo independiente del movimiento del foco luminoso o del observador." Este postulado eleva el resultado experimental de Michelson-Morley a principio fundamental.

Nota: Posteriormente, Einstein desarrolló la Teoría de la Relatividad General (1915), que extiende estos principios a sistemas acelerados e introduce una nueva teoría de la gravitación, describiéndola como un efecto geométrico de la curvatura del espacio-tiempo (un universo de cuatro dimensiones) en presencia de masa y energía.

Consecuencias de la Relatividad Especial

Los postulados de Einstein llevan a conclusiones sorprendentes que chocan con la intuición basada en la experiencia cotidiana a bajas velocidades:

Contracción de la Longitud

Ya antes de Einstein, FitzGerald y Lorentz habían propuesto, para intentar explicar el resultado del experimento de Michelson-Morley dentro del marco del éter, que "todos los cuerpos materiales que se mueven a través del éter se contraen en la dirección de su movimiento". La fórmula que describía esta contracción fue confirmada matemáticamente como una consecuencia directa de los postulados de la relatividad especial de Einstein, pero ahora interpretada como una propiedad del espacio y el tiempo relativos, no de una interacción con el éter. Un objeto en movimiento parece más corto en la dirección de su movimiento cuando es medido por un observador en reposo relativo.

Dilatación del Tiempo y Relatividad de la Simultaneidad

Einstein demostró que el tiempo no es absoluto. Una de las consecuencias más notables es que: "Dos sucesos que son simultáneos en un sistema de referencia no lo serán necesariamente si se observan desde otro sistema de referencia en movimiento respecto al primero" (Relatividad de la Simultaneidad). Además, el intervalo de tiempo medido entre dos eventos que ocurren en el mismo lugar en un sistema de referencia en movimiento es menor que el intervalo de tiempo medido entre los mismos dos eventos por un observador en reposo relativo. Es decir, desde la perspectiva del observador en reposo, el tiempo transcurre más lentamente para el sistema en movimiento (Dilatación del Tiempo).