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Introducción.

Bienvenidos a una de las teorías más fascinantes que sin duda ha desarrollado nunca el ser humano. Al tratarse del primer capítulo de esta serie me gustaría hacer algunos comentarios antes de que nos adentremos en el grandioso mundo de la cosmología, agujeros negros, y todos aquellos fenómenos que describe la Relatividad General.

Me gustaría destacar el aspecto académico de estos escritos. Por supuesto que habrá conceptos que a nivel matemático serán mucho más sutiles y se podrán describir de una manera mucho más formal. Pero mi idea es que estos artículos lleguen a la mayor variedad de público posible, es por tanto que se intentará encontrar un equilibrio entre la rigurosidad matemática y la discusión cualitativa de los aspectos que se refieren a esta teoría, intentando no caer, obviamente, en un aburrimiento y pesadez excesiva.

Por otro lado, tenemos en la web una serie dedicada a la Relatividad Especial para quien le pueda interesar es altamente recomendable.

Contexto histórico, el problema del espacio y del tiempo.

La relatividad, un problema nada sencillo.

Sin duda, a lo largo de la historia el ser humano se ha tenido que enfrentar a diversos problemas, sin irnos más allá véase el caso de este pasado año 2020. Pero entre ellos, pocos han supuesto un esfuerzo, a nivel mental, tan complejo como fue el desarrollo de la Relatividad General (de aquí y en lo que sigue la denominaremos RG). En palabras del propio Einstein:

En mi vida he trabajado tan duramente: he llegado a tener un gran respeto por las matemáticas, cuyas partes más sutiles había considerado hasta ahora ingenuamente como puro lujo. Comparado con este problema, la relatividad (especial) es un juego de niños.

Albert Einstein en una carta a A. Sommerfield. 1912.

Algo de filosofía en la relatividad.

Y es que resultó ser un problema no solo en el sentido de que las matemáticas que requería eran mucho más complejas, sino que también precisaba de una visión completamente renovada sobre nuestra concepción del espacio y del tiempo. Pero esta historia ya venía de lejos, muchos otros personajes como Leibniz, Newton, Clarke o Ernst Mach ya habían discutido largo y tendido sobre estas cuestiones. Este último es muy poco conocido pero, sin embargo, fue de los que más influyó en el pensamiento del joven Einstein. Los dos grandes bloques que se enfrentaban eran los absolutistas por un lado y los relacionistas por otro. La clave del enfrentamiento residía en estudiar el papel de los observadores y del movimiento en la naturaleza. ¿Existen sistemas de referencia universales completamente estáticos respecto de los cuáles podríamos referir cualquier movimiento?

Absolutismo vs relacionismo. El problema del cubo.

La lucha eterna.

Desde que Newton estableciera sus ideas de espacio y tiempo en 1687, la eterna lucha entre el absolutismo y el relacionismo en la visión del universo nunca ha cesado. No cabe lugar a duda que se trata de un tema apasionante, pero intentaremos ser precisos para no aburrir en exceso a nuestro lector. La idea clave que Isaac Newton estableció fue la de una imagen absoluta de espacio y tiempo, a parte de que los concibió de manera independiente, algo bastante interesante en la idea final que obtendremos con la RG. Pero la contraposición a esta visión no tardó en llegar. El filósofo alemán Gottfried Leibniz tenía algo que decir. Leibniz no estaba de acuerdo con esta postura. Él argumentaba que era contradictorio afirmar la existencia de hechos tales como localización y velocidad absolutas.

El experimento definitivo.

Esta lucha siguió con argumentos a favor y en contra y no solo desde la filosofía sino desde la propia física, uno de los ejemplos más descriptivos al que intentaban dar respuesta era el experimento del cubo. Este consistía en un experimento mental, que usaron inicialmente Newton y Samuel Clarke para rebatir los argumentos de Leibniz, donde se imaginaba un cubo lleno de agua girando en medio del universo. Newton aseguraba que en el giro del cubo el agua mostraba una forma cóncava debida a la rotación (algo bastante intuitivo) pero, es más, el científico inglés argumentaba que esto ocurría porque el agua estaba acelerada respecto de un sistema de referencia estático y con preferencia al resto de los demás, el espacio absoluto. Para Newton el espacio existe como una entidad física real.

Dos posiciones completamente alejadas.

La verdad es que Leibniz, sin embargo, no pensaba lo mismo. El filósofo alemán creía que el espacio no existía en ningún sentido convencional. No tenía significado en sí mismo más allá que simplemente proporcionar el lenguaje adecuado para localizar la posición relativa de un objeto respecto de otro. Para Leibniz, un espacio completamente vacío tendría tan poco sentido como un alfabeto al que le faltan las letras, puesto que el alfabeto proporciona un orden para las 28 letras, pero no existe en sí mismo independiente de ellas. Nos encontramos entonces con dos visiones contrapuestas: Newton ve al espacio como una entidad donde el movimiento acelerado no es relativo; en el otro bando tenemos a Leibniz, que no concibe al espacio como una entidad en sí misma y piensa que todos los aspectos del movimiento son relativos. En este punto es cuando aparece nuestro ya mencionado Mach, que empieza a arrojar luz sobre todo este terreno fangoso de posturas relacionistas y absolutistas.

El universo de Mach. Influencia en el pensamiento de Einstein.

Algo de luz en el caos.

Tras varios años de discusión filosófica, nuestro amigo austriaco entró en escena. Aunque su posición sigue aceptando varias tesis fundamentales del relacionismo, Mach introduce un enfoque nuevo a la hora de hablar del movimiento relativo y con respecto a qué sentimos o no que nos estamos moviendo. El hecho es que Mach seguía sin ver al espacio como una entidad física real, pero su visión de movimiento acelerado cambiaba sutilmente. Para él, este era relativo a la distribución de masa media que estaba en el universo respecto del observador en movimiento.

La clave para Mach, un universo vacío.

Lo que Mach imaginaba es que no existía una diferencia intrínseca entre moverse o no moverse (concretamente entre girar o no girar) en un espacio que estuviera completamente vacío. Es más, él argumentaba que en un universo donde no existiera absolutamente nada no tenía sentido ni preguntarse por el concepto de movimiento acelerado en sí, puesto que no había sistemas de referencia con los que comparar. Lejos o no de la veracidad de esta concepción del espacio, lo que es innegable es que Einstein tenía constancia del pensamiento de Mach y que le influyó profundamente en sus primeros años de estudio.

Legado de Mach, comienzo de la relatividad general.

Einstein también pensaba que la visión de Newton era errónea. Los escritos de Mach le introdujeron en el mundo de la visión relacionista y le brindó la oportunidad de describir un universo que nada necesitaba de un espacio absoluto como sistema de referencia preferente. Es más, en sus primeros pasos hacia la RG, Einstein, en su descripción de la relatividad especial, imaginaba un universo donde espacio y tiempo eran relativos individualmente. Sin embargo y, aunque parezca sorprendente, concebía al espacio-tiempo como una entidad absoluta. Por supuesto, esta visión cambió con el desarrollo de la RG. A partir de ahí se empezó a concebir al espacio y al tiempo como dos caras de una misma realidad física, comenzaba así una de las más grandes teorías jamás desarrolladas antes por el ser humano.

Bibliografía.

  • El tejido del cosmos. Brian Green.
  • Apuntes de Relatividad General. Bert Janssen. Universidad de Granada.
  • Enlace usado: https://www.biografiasyvidas.com/

Miguel Jimenez Ortega

Estudiante de último curso de Física en la Universidad de Granada (UGR). Apasionado de la física y las matemáticas, trabajando por una divulgación científica clara e interesante.

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