Con el cambio del siglo, cuando Einstein empezaba a trabajar en la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, la satisfactoria versión de Lorentz de la teoría de Maxwell había ganado amplia aceptación.
También es bien conocido el experimento de Michelson-Morley (experimento óptico sensible) queriendo detectar el movimiento de la Tierra a través del éter que falló y Lorentz trató de explicar dicho fallo a través de su teoría.
En lugar de considerar el fracaso de los experimentos electromagnéticos y ópticos para detectar el movimiento de la Tierra a través del éter como algo a deducir de las ecuaciones electrodinámicas, el tomó este trabajo como una prueba empírica de la validez del principio de relatividad en electrodinámica y óptica.
De hecho, él afirmaba la validez universal del principio, haciendo de éste un criterio para la aceptabilidad de cualquier ley física.
A este respecto dio al principio de relatividad un papel similar al principio de termodinámica, un ejemplo que le sirvió de guía, según afirmó más tarde. Más que ser deducciones de otras teorías, tales principios se toman como postulados para de razonamiento deductivo que dan como resultado la formulación de criterios generales que deben satisfacer todas las teorías físicas.
Einstein se enfrentó entonces al problema de hacer la electrodinámica de Maxwell-Lorentz compatibles con el principio de relatividad.
Lo hizo por medio de un principio extraído de la misma electrodinámica, el principio de la constancia de la velocidad de la luz.
El que la velocidad de la luz es independiente de la de su fuente, y tiene un valor constante en el sistema del éter en reposo, puede deducirse de la teoría de Maxwell-Lorentz. Einstein desechó el éter de dicha teoría y tomó la constancia de la velocidad de la luz como un segundo postulado, apoyado por toda la evidencia empírica a de la teoría de Maxwell-Lorentz.
Cuando se combina con el principio de relatividad, esto lleva a una conclusión aparentemente paradójica: la velocidad de la luz debe ser la misma en todos los sistemas de referencia inerciales. Este resultado entra en conflicto con la ley newtoniana de adición de velocidades, obligando a una revisión de los fundamentos cinemáticos subyacentes a toda la física.
Einstein mostró que la simultaneidad de sucesos distantes sólo está definida físicamente con relación a un sistema de referencia inercial concreto, lo que conduce a transformaciones cinemáticas las coordenadas espaciales y temporales de dos sistemas inerciales que concuerdan formalmente con las transformaciones de Lorentz que había introducido en 1904.
Einstein y Lorentz
Las ecuaciones de Maxwell son invariantes ante una transformación de Lorentz ….. Todas las leyes físicas son las mismas (o sea, permanecen invariantes) para todos los …
La velocidad de la luz en el vacío es constante e igual para todos los sistemas de …interpretación clásica de los conceptos espacio y tiempo.
Einstein demostró que las ecuaciones de Maxwell-Lorentz el espacio vacío permanecen invariante (en ) bajo las nuevas transformaciones cinemáticas cuando se definen adecuadamente las leyes de transformación para los campos eléctrico y magnético.
Dedujo leyes de transformación apropiadas para densidades de carga y velocidades a partir del requisito de que las ecuaciones de Maxwell permanecen invariantes cuando se añaden corrientes de convección.
Finalmente, suponiendo que las ecuaciones de Newton son válidas una partícula cargada en reposo, fue capaz de utilizar una transformación cinemática para deducir las ecuaciones de movimiento de una partícula cargada (“electrón”) con velocidad arbitraria.
Apariencia del espacio-tiempo a lo largo de una línea de universo de un observador acelerado.
La dirección vertical indica el tiempo, la horizontal indica la distancia espacial, la línea punteada es la trayectoria del observador en el espacio tiempo.
El cuarto inferior representa el conjunto de sucesos pasados visibles al observador.
Los puntos pueden representar cualquier tipo de sucesos en el espacio tiempo
La pendiente de la línea de universo o trayectoria de la vertical da la velocidad relativa del observador.
Muchos fueron los artículos que se escribieron por aquellos tiempos sobre todo este entramado de la física y, Einstein, como no sería de extrañar, estaba al día de todos ellos pero, su enfoque del problema, que conduce a la combinación peculiar de estas ideas en su artículo sobre la Relatividad, es único –especialmente el reconocimiento de que se necesita una nueva cinemática de aplicabilidad universal como base un enfoque consistente de la electrodinámica de cuerpos en movimiento.
Tales ecuaciones de transformación de carácter general de un marco de referencia a otro fueron enunciadas por vez primera no por Einstein sino por el físico Lorentz, razón por la cual reciben el nombre de ecuaciones de transformación de Lorentz.
Einstein tuvo el mérito de saber aunar muchos pensamientos dispersos para conformarlos en una sóla teoría.
El de Einstein sobre la relatividad nació de su ya antiguo interés en la electrodinámica y la óptica de cuerpos en movimiento.
En su primer ensayo científico, escrito en 1895, discutía la propagación de la luz a través del éter. Poco después se supo de aquella idea (más tarde famosa):
“Si uno persiguiera una onda luminosa con la velocidad de la luz, se encontraría con un campo ondulatorio independientemente del tiempo.
Sin embargo, ¡no parece que exista nada semejante!
Éste fue el primer experimento mental infantil relacionado con la teoría de la relatividad especial”.
Ya sobre 1989, Einstein estudió a fondo a la teoría electromagnética de Maxwell, aparentemente con la ayuda del libro de texto de Drude.
En 1899, después de estudiar los artículos de Hertz sobre el tema, estaba trabajando sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento.
En 1901, Einstein le explicó sus ideas sobre el tema al profesor Alfred Kleiner de la Universidad de Zurich, quien le animó a publicarlas pero, no hay evidencia alguna de que lo hiciera.
En la Oficina de Patentes de Berna (Suiza), cuando era un total desconocido y elucubraba sobre esa idea de la relatividad especial en la que la velocidad de la luz era inalcanzable en nuestro universo, la masa y la energía eran dos aspectos de la misma cosa y, el Tiempo, se ralentizaba cuando se viajaba a velocidades cercanas a la de la luz en el espacio vacío.
Los comentarios de Einstein muestran que en 1899 su punto de vista sobre la electrodinámica eran similares a los de Lorentz; pero, aparte de esta similitud, no hay evidencia de que Einstein hubiera leído todavía nada escrito por Lorentz.
Hay evidencia contemporánea directa, o evidencia indirecta fuerte, que indica que hacia 1902 Einstein había leído o estaba leyendo trabajos sobre electrodinámica y óptica de Drude, Helmholtz, Hertz, Lorentz, Voigt y Föppl.
Durante estos años aparecieron en los Annalen varios artículos importantes sobre electrodinámica y óptica de cuerpos en movimiento. En sus artículos sobre Relatividad, él citaba varios trabajos publicados antes de 1905, y es posible que leyera uno o más de estos antes de 1905. Einstein también leía extensamente sobre los fundamentos de la ciencia. Más tarde atribuyó gran importancia para su desarrollo de la teoría de la relatividad a su lectura de Hume, Mach y Poincaré.
Hacer aquí un pormenorizado de todos los acontecimientos que llevaron a Einstein a su relatividad especial, requeriría un libro en sí mismo.
En la maraña de sucesos y personajes que nutren la historia de la ciencia se han conocido momento muy singulares de los que han surgido cambios revolucionarios. 1905 fue uno de esos hitos.
En aquel año maravilloso, Albert Einstein (un desconocido empleado de 3ª en la Oficina de Patentes de Berna en Suiza), publicó cinco artículos, hoy imprescindibles para conocer el desarrollo de la Física, y, en más de un sentido, de la Humanidad.
Dos de aquellos artículos fueron especialmente importantes: “Sobre el punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de la luz” –en el que Einstein extendió a la radiación electromagnética la discontinuidad cuántica, que Max Planck había introducido en la física cinco años antes- en que creo la teoría de la relatividad especial, que revolucionaba nociones filosóficamente tan fundamentales como las de espacios y tiempo, socavando la física anterior. También su contiene una sencilla expresión matemática, E = mc2, sobre cuya verdad darían fe las explosiones nucleares que pusieron fin a la Segunda Guerra Mundial.
Lo cierto es que las ecuaciones en el mundo de la física, han sido esenciales para entender la Narturaleza. Estas de arriba fueron formuladas por Einstein como parte de su revolucionaria teoría general de la relatividad en 1915.
La teoría revolucionó la forma de entender la gravedad, mediante la descripción de la fuerza como una deformación de la estructura del espacio-tiempo.
Con esta ecuación se podría decir que comenzó la historia de la cosmología moderna, aparecieron los agujeros negros…, y, ¡tantas cosas más!
Vinieron a revolucionar el mundo con una expresión matemática difícil de igualar por el intelecto humano.
