Història de la relativitat especial

Archiu:Light clock (diagram).png

Història de la relativitat especial

La teoria de la relativitat sorgix per a resoldre varis problemes en les teories acceptades al principi de el XX.

La relativitat anterior a 1900

A partir de 1861, Maxwell establix les equacions que descriuen les ones electromagnètiques i, en particular, les ones lluminoses. Segons esta teoria la velocitat de la llum solament devia dependre de les propietats elèctriques i magnètiques del mig i no de la velocitat del sistema de referència de les mides, lo que plantejava un problema. En efecte, en la mecànica newtoniana, les velocitats són aditivas (se sumen, per a dir-ho de forma simple). Si d'una eixida que es desplaça a la velocitat de 7 km/s con relación a la Terra es llança una bola de canó cap al front a la velocitat de 1 km/s con relación a l'eixida, la velocitat del proyectil con relación a la Terra serà de 8 km/s. Si la bola es llançara en sentit contrari, la seua velocitat seria de 6 km/s.

Les equacions de Maxwell diuen que si s'emet un fes lluminós des de l'eixida cap al front o cap a la part d'arrere, la velocitat de la llum medida sobre la Terra serà la mateixa. La experiència conduïda per Michelson i Morley en 1887, en la pròpia Terra eixercitant el paper de l'eixida, va confirmar este fet. Com el nostre planeta es desplaça entorn al Sol a la velocitat de 30 km/s, volien vore si podien posar de relleu una diferència de la velocitat de la llum entre la direcció del moviment de revolució i la direcció perpendicular. Al no obtindre's el patró d'interferència lluminosa, es va confirmar la teoria de Maxwell i es va qüestionar l'existència del éter que se suponia era el mig en el que es propagaven les ones electromagnètiques i la llum.

Els estudis d'Ernst Mach sobre la mecànica i la inèrcia també varen tindre impacte en Einstein. Ya que Mach creïa solament en cantitats que es pogueren tocar, va afirmar que el «temps» no té cap significat real. Va escriure que era una idea abstracta, producte de la ment humana i subjecta per lo tant als seus caprichos. Este rebuig del «temps absolut» sembla que va lliberar el pensament del jove Einstein; recolzava directament el concepte de que no existix ni temps ni espai absolut. Va llegir a Ernst Mach quan era estudiant i es reunia regularment en els seus amics Conrad Habicht i Maurice Solovine. Einstein va insistir per a que el grup llegira els dos llibres que Mach havia publicat fins a eixa data: El desenroll de la mecànica, (Die Mechanik in ihrer Entwicklung, Leipzig, 1883) i L'anàlisis de les sensacions (Die Analyse der Empfindungen und dones Verhältnis dones Physischen zoom Psychischen, Jena, 1886). Einstein sempre va creure que Mach havia estat en el camí correcte per a descobrir la relativitat en part dels seus treballs de joventut, i que l'única raó per la que no ho havia fet va ser perque l'época no va ser la propícia. El gran guany d'Einstein va ser generalisar l'idea d'Ernst Mach i provar que totes les forces -i no solament les d'inèrcia- són relatives, que tots els fenomens mecànics poden ser explicats en térmens de moviment relatiu. Per a això, va tindre que donar una nova teoria de la gravitació, en la que va conseguir explicar certs moviments planetaris que la mecànica clàssica no conseguia interpretar.

Noves transformacions del moviment

Per a intentar explicar els resultats de l'experiment de Michelson i Morley, Hendrik Lorentz va sugerir en 1895 unes noves fòrmules de transformació per a passar d'un sistema de referència a un atre; es tractava d'unes equacions per a fer compatible la constància de la velocitat de la llum, pero que carien d'una significació clara. Aixina, va supondre una teoria de l'éter en la qual objectes i observadors viajarien a través d'un éter estacionario, sofrint una acurtada física (hipòtesis de contracció de Lorentz) i un canvi en el pas del temps (dilatació del temps). L'explicació de Lorentz suministrava una reconciliació parcial entre la física newtoniana i l'electromagnetisme, que es conjugaven aplicant la transformació de Lorentz, que vindria a substituir a la transformació de Galileo vigent en el sistema newtoniano.

La formulació de l'electromagnetisme front a les transformacions de Lorentz va ser també estudiada pel físic francés Henri Poincaré. Quan les velocitats involucrades són molt menors que c (la velocitat de la llum), les lleis resultants són en la pràctica les mateixes que en la teoria de Newton, i les transformacions es reduïxen a les de Galileo. De qualsevol forma, la teoria de l'éter va ser criticada inclús pel mateix Lorentz per la seua naturalea ad hoc.