Aspectos generales de la teoría de la relatividad

Partiendo del carácter absoluto de la velocidad de la luz y del principio de relatividad del movimiento, Einstein propone una nueva concepción del espacio y del tiempo (fundidos en un continuo tetradimensional llamado espacio-tiempo) que rompe radicalmente con las ideas de espacio y tiempo absolutos de Newton.  

Estas ideas van en contra del “sentido común” por ser “raras”, es decir, no observables en las actividades cotidianas de las personas. Sin embargo hay que tener presente que, hasta la fecha, todas las predicciones que se deducen de la teoría han sido comprobadas experimentalmente con el tiempo y que no se conoce ningún hecho experimental que esté en contradicción con la teoría. Tal vez en el futuro se encuentre algún hecho experimental que invalide la teoría. Pero de momento, la teoría de la relatividad es una de las teorías más sólidas que se conocen.

Las ideas que Einstein va a desarrollar las aplica a un tipo de sistemas de referencia especiales: aquellos que se mueven uno respecto al otro a velocidad constante. Es por esto que su teoría recibe el nombre de teoría especial de la relatividad.

Einstein parte de dos intuiciones que actualmente se consideran como principios, o postulados, fundamentales:

1. El principio del carácter absoluto de la velocidad de la luz: Cualquiera que sea la naturaleza del espacio y del tiempo, la velocidad de la luz es la misma en todas direcciones e independiente del movimiento de la persona que la mide.

2. El principio de relatividad: Las leyes físicas tienen la misma forma matemática y lógica para dos observadores que se muevan en sistemas de referencia inerciales.  

Este segundo principio quiere decir que las leyes físicas no deben proporcionar ningún medio que permita distinguir un sistema de referencia inercial de cualquier otro. Esta afirmación no es una ley física en sí misma sino más bien una pauta o regla que deben obedecer todas las leyes físicas (realmente puede considerarse como un metaprincipio).

Considerar al tiempo como relativo implica que observadores localizados en sistemas de referencia con movimientos diferentes experimentan flujos de tiempo distintos lo que, a su vez, implica que el concepto de simultaneidad es relativo, es decir que dos sucesos pueden verse  como simultáneos por un observador en un sistema de referencia mientras que en otro sistema de referencia un segundo observador puede ver uno de los sucesos antes que el otro.

Otras consecuencias importantes deducidas de la teoría son: 

a) Carácter límite de la velocidad de la luz: La inercia de un cuerpo aumenta de forma rápida conforme su velocidad se aproxima a la velocidad de la luz, de tal manera que por mucha que sea la fuerza que le apliquemos al objeto para que aumente su velocidad nunca se podrá conseguir que éste alcance o sobrepase la velocidad de la luz..

b) Equivalencia masa-energía: Einstein obtuvo una relación matemática entre dos propiedades de la materia, la masa “m” en reposo y la energía “E”, cuya expresión es E = m . c²  donde c es la velocidad de la luz en el vacío.

1) La anterior ecuación representa una relación universal entre la masa inercial y la energía. 

2) Es incorrecto afirmar que la masa se convierte en energía pues ambos conceptos, son dos propiedades diferentes de los sistemas, equivalentes para la teoría de la relatividad pero no idénticos, es decir que los cambios que ocurren en los sistemas pueden describirse utilizando una terminología que se refiera a la masa  o utilizando una terminología alternativa que se refiera a la energía.

i) Aumento de masa de una partícula cuando ésta incrementa su velocidad:

Toda partícula que aumenta su velocidad experimenta un incremento de su masa y simultáneamente de su energía cinética. Es decir que un incremento de la energía cinética de la partícula es equivalente a un aumento de su masa. Los cambios que tienen lugar en la partícula pueden describirse mediante un cambio en la energía de ésta o como un cambio de su masa: Cualquiera de las dos formas es una opción alternativa e igualmente válida para describir el mismo cambio.

 ii) Formación de un núcleo a partir de los nucleones que lo constituyen.

La formación del núcleo es un proceso que puede describirse de la siguiente manera: Al agruparse las partículas que constituyen el núcleo se encuentran más próximas entre sí y por tanto se produce una disminución de la energía potencial nuclear. Esta disminución de energía del sistema, que se libera al exterior, equivale a la disminución de la masa en reposo que experimenta el sistema y que también se ha transferido al eterior. Entre la disminución de masa y la de energía del sistema existe una relación que viene dada por la ecuación de Einstein E = m . c².
Es esta igualdad la que viene a  indicar la equivalencia entre la masa y la energía de cualquier sistema de partículas.

Por todo lo dicho debemos tener en cuenta que en todos los procesos nucleares no existe transformación de materia en energía, ni en los procesos de desmaterialización o de aniquilación como sucede al encontrarse una partícula con su antipartícula en la misma región del espacio, pues en éste último caso cuando  esto sucede  ambas partículas dan lugar a un chorro de fotones que llevan , evidentemente, toda la masa de las partículas y toda su energía.

No hay, por tanto, conversión de las masas de la partícula y de su antipartícula en energía. Lo que hay es una transformación de materia en radiación y esto si es posible porque, como sabemos, ésta última posee masa  y energía, resultando que la masa de todos los fotones es igual a la masa de las partículas inciales que, además, han transferido toda su energía a los fotones generados.

Conclusión: no es correcto hablar de conversión de masa en energía y si lo es hablar de conversión de masa en radiación, es decir en fotones.

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