El campo y la relatividad
Newton: espacio, materia y tiempo son independientes. La aceleración es siempre con respecto a un espacio en reposo.
C. G. Jung: en sí mismo, el espacio y el tiempo consisten en nada. Son conceptos hipostasiados y, por lo tanto, esencialmente de origen psíquico.
Einstein: ...podemos, por tanto, considerar la materia como constituida por regiones de espacio donde el campo es extremadamente intenso, no hay lugar en esta nueva física para campo y materia, pues el campo es la única realidad.
Descartes: el espacio como extensión entre objetos. No existe el vacío.
El origen psicológico de la idea de espacio surgirá en la geometría analítica. Geometría esférica, hiperbólica, etc. Geometría de Riemann.
Primitivamente la idea de espacio puede pensarse como el interior de una caja... si ésta no contiene objetos es un espacio vacío... luego pensemos en reducir a cero el espesor de las paredes de la caja, y seguimos teniendo espacio sin objetos materiales involucrados.
La geometría euclideana tradicional nos habla de cómo almacenar objetos en el espacio(la caja). Espacio acotado.
Como siempre se puede encontrar una caja mayor que contenga a otra menor, ya podemos hablar de espacio ilimitado.
El espacio en el pensamiento físico: Una caja que se mueve dentro de otra caja que la contiene, muestra que hay infinitos espacios moviéndose los unos con respecto de los otros.
Origen psicológico del tiempo, del espacio y del suceso:
Recuerdos de experiencias sensoriales: algo se enfrió “después de un tiempo”. Esto es el concepto subjetivo del tiempo.
Concepto objetivo del tiempo: Si no es solo es una experiencia personal, pasa a ser un suceso que experimentan también otros... ahora es algo objetivo.
El mundo exterior real, es la suma de todos los sucesos.
Tendemos a adjudicar un orden temporal a nuestras experiencias, aunque sabemos que un ordenamiento obtenido por medios acústicos difiere del obtenido visualmente, entonces cuando tratamos con sucesos hay que localizarlos en el tiempo y también en el espacio, para obtener una idea de mundo objetivo.
El espacio, el tiempo y el suceso ahora son instrumentos mentales para establecer relaciones entre las experiencias. Agreguemos el concepto de objeto material(un caso especial es el cuerpo sólido), que por ejemplo era lo que metíamos al principio en la caja, y también las personas involucradas en las experiencias son objetos materiales.
Sumemos conceptos no espaciales, del campo psicológico como el dolor, finalidad, intención, etc.
La física y las ciencias naturales tratan de trabajar solo con conceptos espaciales para deducir leyes. Los colores y los tonos, son vibraciones.
El fisiólogo considera que el dolor y el pensamiento son procesos nerviosos. Notar que se ha eliminado lo psíquico. Es materialismo puro.
Hay que liberar la mente de estas restricciones, para formar nuevas ideas y conceptos. Esta actitud crítica la introdujeron David Hume y Mach.
A pesar de que lo absolutamente rígido no existe, cosa inquietante ya que la la caja(el espacio) podría deformarse conteniendo mas o menos cosas, o que su superficie(de cuerpo sólido) no queda nunca bien definida porque está formada por átomos... nadie pensó en renunciar al concepto de espacio, hasta que Mach lo intenta eliminar con: “la noción de la totalidad de las distancias instantáneas entre todos los puntos materiales”, para entender la inercia.
El Campo:
Para la mecánica de Newton, el espacio y el tiempo desempeñan un doble papel:
-Portador o marco, que son las coordenadas de espacio y tiempo. La materia es reducida a pensarla como puntos materiales, puntos cuyo movimiento constituyen un hecho físico.
-Constituye un sistema inercial, como sistema de referencia... o sea que se mantiene quieto, o se mueve a velocidad constante(sin aceleraciones), para que sean validas las leyes.
Para Newton el espacio y el tiempo son independientes, si desapareciera toda la materia, quedaría el espacio y por separado el tiempo, sería un escenario de acciones físicas.
Esto queda atrás, con el surgimiento del concepto de campo.
Para la física clásica, el campo era un concepto auxiliar, si se piensa a la materia como un continuo: por ejemplo la conducción del calor en un sólido, describiendo su temperatura en cada punto del cuerpo y en cada momento del tiempo. El campo de temperatura.
Otro ejemplo es el campo de la velocidad, que por ej. es medir la velocidad en cada punto en cada momento en un líquido. En cada punto(x,y,z), en cada tiempo(t) existirá una flecha(vector) que apunta hacia donde va el líquido y a que velocidad pasa(componentes del campo).
Notar que este concepto de campo es aplicable a la materia(mide temperatura y velocidad de algo material), si no hay materia no podía existir campo. Luego se demostró que los fenómenos de interferencia y de difracción de la luz, se explican mirando a la luz como un campo ondulatorio, análogo al campo vibratorio mecánico de cuerpos sólidos elásticos.
Fue así que se pensó que podía existir “campo” en el espacio vacío, en ausencia de materia ponderable.
Esto crea un cuestionamiento, porque en su origen el concepto de campo era solo para el interior de materia ponderable.
El problema se presentó porque se pensaba al campo con una interpretación mecánica, eran ondulaciones de algo “material”. De éste pensamiento nace el éter, que estaría presente hasta en el espacio vacío.
Suceso psicológicamente muy destacable del pensamiento físico: emancipación del concepto de campo de su base mecánica. Las investigaciones de Faraday y de Maxwell sobre procesos electromagnéticos incluida la luz, se apartan de la necesidad de puntos materiales y su mecánica para pensar al campo... va muriendo la idea del éter.
Maxwell introduce el concepto de campo en la electrodinámica, y demuestra la igualdad entre la luz y las ondas de radio(cuya existencia predijo), ya que estaba probado que viajan a la misma velocidad: c .
La óptica entonces, es solo un caso particular… son las ondas de radio que ven nuestros ojos.
La teoría del éter, aunque fracasando, había traído otro interrogante: acompañaba en sus movimientos a los cuerpos? O se mantenía como una base estática?. Lorentz apoyándose en el efecto Doppler entre las estrellas y la Tierra(vemos que la luz de una estrella cambia de color por el movimiento relativo estrella-Tierra… si se acerca la vemos mas azul y si se aleja la vemos mas roja) demuestra que el supuesto éter debería estar absolutamente en reposo. Solo un experimento, aunque no lo contradice, no le es favorable: el experimento de Michelson-Morley(que trata de detectar “el viento del éter”, ya que si el éter está quieto(como si fuera el aire) pero nosotros nos movemos(como si sacáramos la cabeza por la ventanilla de un auto mientras viajamos) deberíamos sentir el viento, cosa que no pasa.
Lorentz también demostró que la materia contiene cargas eléctricas que acompañan su movimiento, influyendo sobre campos eléctricos y viceversa(los campos eléctricos influyen sobre la materia), explicando así los procesos internos electromagnéticos y ópticos.
A pesar de todos éstos hermosos éxitos, su teoría se cae… por el siguiente motivo:
-Por un lado la mecánica clásica afirma y está demostrado, la invariancia de todas las leyes físicas entre sistemas inerciales(sistemas en reposo relativo, o en movimiento siempre a la misma velocidad unos de otros… o sea no acelerados). Los experimentos de óptica y electromagnetismo nos muestran lo mismo.
-Pero por otro lado el electromagnetismo resalta un sistema inercial sobre todos los otros: el éter luminífero en reposo. Entonces ya no son todos los sistemas inerciales equivalentes… hay uno mas importante.
Luego, se iba a necesitar hacer algo para mantener la equivalencia: y Einstein fue quien lo va a hacer, y se va a llamar Principio de la relatividad especial, para conservar la equivalencia de los sistemas inerciales.
Surge la Teoría de la relatividad especial, que toma de la teoría de Maxwell-Lorentz el supuesto de la constancia de la velocidad de la luz (c), en el espacio vacío.
Se abandona la noción de simultaneidad entre sistemas, y se usan las coordenadas de tiempo y espacio de Lorentz, para la transición de un sistema inercial a otro.
El contenido total de la teoría de la relatividad especial(TRE), es éste: Las leyes de la naturaleza son invariantes ante transformaciones de Lorentz.
La TRE y el problema del espacio:
Ya desde antes, la realidad se pensaba cuatridimensional(3 coordenadas espaciales y una temporal).
Pero para la mecánica clásica, éste continuo cuatridimensional se fraccionaba en el tiempo unidimensional y el espacio tridimensional. Existiendo simultaneidad entre acontecimientos en todos los sistemas, o sea un tiempo común a todos. Tiempo absoluto.
Ahora para la TRE el tiempo ya no es independiente y absoluto... está fundido al espacio formando un continuo cuatridimensional. Como consecuencia no tiene ningún sentido pensar en un éter en reposo.
El espacio cuatridimendional ya había sido introducido por Minkowski, inspirado en ideas de Poincaré.
El principio de inercia y el principio de constancia de c, al igual que las leyes de campo, por ahora son válidos solo con respecto a un sistema que no se acelere(sistema inercial).
El espacio, como en la mecánica clásica, ahora también es un componente independiente de la realidad física. O sea que si eliminamos toda la materia y todo el campo, ese espacio inercial, el espacio-tiempo seguirá existiendo.
La estructura cuatridimensional(espacio de Minkowski) es portadora de materia y campo.
Ya no existen secciones que representen el “ahora”... La ocurrencia y el devenir siguen valiendo pero se vuelven complicados al no poder apoyarse más en el “ahora”.
Este espacio-tiempo cuatridimensional será un válido nuevo “éter”, independiente y existente aun sin materia y aún vacío de todo campo(en contra de la idea de Descartes).
El espacio en la Teoría de la relatividad general(TRG):
La TRG nace como esfuerzo por comprender y explicar la igualdad entre masa inercial y masa gravitatoria(masa pesante). Para que se entienda este concepto, está el siguiente relato:
Imaginemos por un lado a un sector de espacio-tiempo inercial(“quieto” o moviéndose a velocidad constante) que contiene al planeta Tierra(sin rotar) y a nosotros..., y por otro lado a un sistema con aceleración constante(sistema NO inercial).
Si en el segundo sistema estuviéramos viajando por el espacio exterior(lejos del efecto gravitatorio por ej. terrestre) dentro de una caja, sentiríamos nuestro peso, como si estuviéramos sobre la materia(el planeta Tierra sin rotar) en un sistema inercial.
Como la caja que nos contiene sufre “una permanente” aceleración como la experimentada “solo en un instante” al arrancar de repente un taxi, o permanente si el taxi fuera cada vez mas rápido, no notaríamos ninguna diferencia entre esa aceleración inercial, y una aceleración gravitatoria por estar en otro sistema no acelerado(inercial) pero sobre un planeta.
La igualdad entre masa inercial y masa pesante(gravitatoria)ha sido sólidamente confirmada por vía empírica.
Que significa el relato anterior??? Que cuando el campo gravitatorio forma parte de nuestro modelo, un sistema inercial con campo gravitatorio puede perder su significado objetivo(se confunde con un sistema NO inercial). Por otro lado en caída libre, o en órbita estable, estaríamos en sistemas inerciales.
Entonces hay que mejorar la Teoría de la relatividad
especial para validarla en cualquier sistema de referencia, sea inercial o no.
Surge entonces el llamado principio de covariancia.
El principio de covariancia es la generalización
de la teoría de la relatividad especial, donde
se busca que las leyes físicas tengan la misma forma en todos los sistemas de referencia sean o no inerciales.
Esto último equivale a que todos los sistemas de referencia sean
indistinguibles, y desde el punto de vista físico equivalentes. En otras
palabras, que cualquiera que sea el movimiento de los observadores,
las ecuaciones tendrán la misma forma matemática y contendrán los mismos términos.
Einstein
resuelve este asunto, y postula la relatividad general.
Debe mencionarse que el matemático alemán David
Hilbert escribió e hizo públicas las ecuaciones de covarianza
antes que Einstein. Ello resultó en no pocas acusaciones de plagio contra
Einstein. La misma postula que la presencia de masa o energía “curva” al
espacio-tiempo, y ésta curvatura afecta la trayectoria de los cuerpos móviles
e incluso la trayectoria de la luz.
La teoría de la relatividad general predice que el
espacio-tiempo no será plano en presencia de materia y que la curvatura del
espacio-tiempo será percibida como un campo gravitatorio.
Ahora el éter se ve como un campo. No existe algo
que se pueda denominar espacio vacío. No existe espacio sin campo.
El espacio-tiempo no reivindica para si una
existencia propia, sino que reclama la categoría de cualidad estructural de campo.
De modo que Descartes tenía razón: no existe
espacio vacío de campo.
Teoría gravitatoria generalizada:
Sobre la base de la TRG, se trata de concebir la
realidad física como un campo que es una generalización del campo
gravitatorio, y en el que la ley de campo es una generalización de la ley del
campo gravitatorio puro.
Esta teoría debe poder describir por completo toda la realidad física, incluido el espacio de 4 dimensiones, todo por medio de un campo.
-------------------------------------------- Por Stm. Cristián Antiba y Dra. Charlize Theron(M.P.B.), en base a: "Mis ideas y opiniones" - Albert Einstein.