¿Puedes resumir la teoría de la relatividad para un simple mortal?

Esta pregunta se hizo varias veces. Parece que Quora no administra esto, para lograr más tráfico de preguntas y respuestas.

COPIO:

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¿Cómo hago para entender la teoría de la relatividad de Einstein?

Junio 10, 2019. jlgiordano@hotmail.com

Esta es realmente una pregunta que quizás muchas personas que no son del área de física ni de ingeniería, se estén planteando.

Lamentablemente . . . PARA ENTENDER LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD no hay atajos, hay que estudiarla teniendo la formación de un físico o un ingeniero (y no cualquier ingeniero. Tiene que ser de los ingenieros "de antes", y principalmente eléctrico o electrónico o de telecomunicaciones).

Para entender la Teoría Restringida de la Relatividad (1905), hay que usar las Ecuaciones de Maxwell, tensores, sistemas de coordenadas, análisis en varias variables, etc. POR LO TANTO se debe estudiar Licenciatura en Física (mínimo 6 años).

Obviamente que no alcanza con un libro de Electromagnetismo y Física para ingeniería. Hay que estudiar con libros de nivel avanzado para estudiantes de Física.

Para entender la Teoría General de la Relatividad (la teoría de Gravitación de Einstein, 1915–1916), hace falta mucho más. Hay que estudiar aún más matemática, más de la que se enseña en la carrera de Licenciatura en Física, trabajar con tensores a nivel avanzado, con geodésicas, etc. que en general se hace en un curso de posgrado o de doctorado (Ph.D.).

Los que dicen otra cosa, lo dicen porque no son físicos, porque no saben de qué están hablando. La formación de un físico no se tiene solamente por leer de física, por gustarle la física o por haber tenido cursos de física en otras carreras (como las de computación o informática, por ejemplo).

Sobre esto escribí antes. Allí menciono libros que le gustarían y enseñarían mucho a la persona que realmente se interese por estos temas.

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A través de un ejemplo simple, ¿cómo explicarías la teoría de la relatividad de Albert Einstein?

Abril 12, 2019. jlgiordano@hotmail.com

Estimado Fabián Luque,

a través de NINGÚN EJEMPLO SIMPLE una persona que te diga la verdad, te puede explicar la teoría que Einstein presentó en 1905. Si hubiera un “ejemplo simple” el mismo Einstein (que era muy didáctico y extremadamente astuto) lo habría usado antes.

Es una teoría para los especialistas (muchos de los cuales, en su tiempo, a pesar de ser sabios, no la entendieron y por lo tanto no la aceptaron).

Después del trabajo de Maxwell entre 1865 y 1873, surgieron muchos problemas conceptuales que no fueron resueltos hasta ese trabajo (que Einstein publicó con el título “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento” y que ahora se conoce como “Teoría Especial (o Restringida) de la Relatividad”).

Entre 1915 y 1916 Einstein publicó 10 años más de trabajo en el cual generalizó su teoría a sistemas en movimientos relativos acelerados, incluyendo la gravitación. Este trabajo, “Teoría General de la Relatividad” (o segunda parte de la Teoría de la Relatividad) es más abstracta aún que la primera. Supongo que la pregunta se refiere a la primera, a la teoría restringida a sistemas no acelerados.

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Explicar la Teoría Restringida de la Relatividad significaría explicar todo lo que antes estaba mal, explicar cómo Einstein genialmente lo conectó y resolvió, con la matemática apropiada y con la transformación correcta entre sistemas de coordenadas en movimiento relativo, usando vectores y tensores, y aplicándolo a campos electromagnéticos.

Supongo que aquí se planteó la pregunta porque siempre que se habla de La Relatividad se explica algo con trenes, linternas, reglas y relojes en movimiento relativo, en una dimensión “x”. A pesar de ser demasiado largo para este sitio, se podría tratar de explicar aquí de ese modo. Y si se estudia con atención, SENTADO Y HACIENDO LOS CÁLCULOS se podría ver cómo la hipótesis de la constancia de la velocidad de la luz y del principio de relatividad de Einstein entre dos sistemas en movimiento relativo conducen a que el tiempo se dilata y las longitudes se contraen.

De hecho ESO es lo que hizo el mismo Einstein para el público menos especializado. ESE ES el “ejemplo más simple”. Lo que vemos explicado por todos lados son meras transcripciones con alguna variación de la explicación más simple, que se le ocurrió al mismo Einstein para presentar y mostrar las primeras ideas y consecuencias no intuitivas (dilatación temporal y contracción espacial).

Sin embargo, a pesar de haber usado elementos extremadamente comunes y en una dimensión, no se entiende bien porqué es tan importante la Relatividad. La razón de esto es porque eso NO es la Relatividad. Eso es sólo “un aire”, "una puntita" … porque esta teoría ES MUCHÍSIMO MÁS. Su sentido completo se aprecia en el Electromagnetismo (no sólo con trenes y relojes), usando el adecuado formalismo matemático donde se ve que las Ecuaciones de Maxwell resultan invariantes.

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En el caso de la Teoría General de la Relatividad, ni siquiera se puede hacer algún ejemplo numérico si no se es especialista. La complejidad matemática comienza desde la primera línea, desde la primera idea.

Varias veces he visto demostraciones prácticas donde 4 alumnos sostienen los vértices de un lienzo cuadrado y entonces cuando el profesor coloca una pelota en el centro, se ve cómo una canica o bolita gira alrededor hasta chocar con la pelota central, debido a la curvatura en la superficie creada por el peso de la pelota. Esto muestra cómo la masa del Sol deforma el espacio donde se mueven los planetas.

Luego, el profesor, sin decirles nada, vuelve a poner la pelota pero ocultamente cambiada por otra mucho más pesada. Debido a lo inesperado del peso, los alumnos sorprendidos sueltan el lienzo y éste cae al suelo arrastrado por la pesada pelota. Es un ejemplo para mostrar lo que sería un agujero negro.

Está bien … Es "una idea" de un movimiento circular alrededor de una masa pero debido a la curvatura de la superficie. Eso es “algo”. Es mejor que nada, pero ¡ NO es la Teoría General de la Relatividad ! El ejemplo del lienzo es buenísimo, pero al mismo tiempo es algo tremendamente pobre e infantil para describir semejante teoría … Hay que pensar que de esta teoría ¡ se deduce la expansión del Universo !

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Siempre recuerdo uno de los primeros ensayos (publicado en 1945) del notable escritor argentino Ernesto Sábato (1911–2011) titulado Uno y el Universo. Sábato fue un brillante físico, doctor en física, que trabajaba en radiaciones atómicas con una importante beca en el Instituto Curie de París, hasta que dejó las “altas torres” de la ciencia (como él mismo dijo) por la literatura.

En una breve historia (titulada “Divulgación”) de Uno y el Universo, alguien le pedía a un físico amigo que le explicara la Teoría de la Relatividad. Para que este señor entendiera, el físico tuvo que ir simplificando su explicación quitando sucesivamente tensores, luego geodésicas y después los sistemas de coordenadas. Al final le explica sólo con aviones, trenes, campanas y cronómetros. “¡Ahora sí, ahora entiendo la relatividad!”, exclamó el señor con alegría, pero el físico le contestó “Sí, pero ahora no es más la relatividad”.

Con esa micro historia de menos de una página Sábato quiso decir que para apreciar LO QUE ES la Relatividad no hay atajos. Hay que estudiarla completamente. No es para “profanos” (como tampoco lo es la Física Cuántica, la termodinámica estadística, la física de estado sólido, el magnetismo, la física nuclear, etc. etc. etc.).

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Internet le da a mucha gente la falsa idea de saber de todo, pero no es así. En realidad nadie sabe nada de nada en profundidad, —SI— no ha trabajado duramente para aprenderlo de verdad, invirtiendo bastante tiempo y esfuerzo.

No olvidemos que la Relatividad es —nada más y nada menos que— UNA DE LAS DOS TEORÍAS MÁS REVOLUCIONARIAS que haya concebido la mente humana (la otra es la Física Cuántica).

Hay que trabajar bastante para entender algo de cualquier cosa. Si se desea entender la Relatividad, hay que hacer mucho más que preguntar en un foro.

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De todos modos, si uno tiene interés y va trabajando y avanzando gradualmente, se entiende bien y produce mucha satisfación. Por lo tanto, para comenzar a estudiar la Teoría Restringida de la Relatividad (1905), voy a recomendar los únicos dos libros con una exposición tan simple como brillante que he conocido (Para la teoría general, no hay nada similar). Ambos están desarrollados con una simplicidad y rigurosidad notables. Fueron escritos por físicos galardonados con un premio Nobel. Están en castellano y por supuesto en inglés.

(1) Uno de ellos es un libro titulado “La Relatividad”, escrito por el mismo Albert Einstein en diciembre de 1916, traducido al inglés en 1920. Es barato, corto, simple. Está en todos los idiomas. Además, este libro tiene al final comentarios de Einstein sobre lo que es la Teoría General.

Este libro lo puede leer cualquier persona con interés, un mínimo de aritmética y geometría, PERO sentado con lápiz y papel (. . . ¡¡ y con el celular y el Facebook apagados !! ). Si se desea realmente entender, . . . ¡ hay que trabajar ! y tener mucha paciencia. El conocimiento NO llega sin esfuerzo.

Desde el 15 de mayo de 2011, en la web hay una tercera edición muy buena, en inglés y de 154 páginas que ocupa menos de 0.7MB en PDFormat. “Relativity: The Special and the General Theory. A Popular Exposition, 3rd ed.” (The Project Gutenberg EBook of Relativity).

Ahí tienes, en un librito, "el ejemplo más simple" que pedías en Quora. ¡Búscalo! Lo puedes descargar ahora mismo . . . ¡ Gratis ! (Una de las bellezas de internet).

(2) El otro libro, un estudiante serio de Ingeniería o de Física lo puede abordar con gusto y facilidad (pero también sentado, con lápiz y papel, celular y FB apagados). Es el capítulo 15 (Teoría Especial de la Relatividad) del Volumen I de la obra en tres volúmenes “The Feynman Lectures on Physics”, escrito por Richard Feynman y dos colegas (Robert Leighton y Matthew Sands). Está en casi todos los idiomas (en inglés, aquí, en la web, lo encuentras enseguida).

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Otro autor que recomiendo es el físico nuclear y cosmólogo ruso George Gamow. Tiene muchísimas obras de divulgación, todas estupendas, hechas con humor, con dibujos hechos a mano por él mismo, y escritos con mucha simplicidad pero manteniendo rigor científico. Al entendimiento de la Relatividad aportan varios de sus libros, como por ejemplo,

— Un, dos, tres … infinito (One Two Three...Infinity: Facts & Speculations of Science), George Gamow (1947),

— Biografía de la Física (Biography of Physics), George Gamow (1961),

— Gravedad (Gravity), George Gamow (1962),

— Treinta años que conmovieron la Física (Thirty Years That Shook Physics. The story of quantum theory), George Gamow (1966).

Son MUY recomendables, lo mejor realmente para los verdaderamente interesados en la Ciencia.

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Otro libro realmente extraordinario, para el público general pero que tenga un genuino interés en aprender, es

— Física, La aventura del Pensamiento (The Evolution of Physics. From Early Concepts to Relativity and Quanta), de Albert Einstein y Leopold Infeld (1938).

En estos libros están los “ejemplos simples” sobre la Relatividad (pero escritos por Einstein, Feynman y Gamow, no por "opinólogos sábelotodo").

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Julio 19, 2019. jlgiordano@hotmail.com