Por supuesto, no deja de ser una respuesta rápida a una pregunta. Quedan muchos más nombres y muchos más matices. Pero estas sencillas palabras corresponden a los nombres de los más grandes entre los grandes pensadores de nuestra especie. ¿Porque estos cuatro nombres y no otros?, intento explicarme porqué di esta respuesta, primero brevemente y luego con un poco más de detalle.
Brevemente, desde el nacimiento de Galileo en Pisa, el 15 de febrero de 1564 hasta la muerte de Einstein, en Princenton el 18 de abril de 1955 han transcurrido cuatro siglos. El año que murió Galileo nació Newton y el año que murió Maxwell nació Einstein. Galileo introdujo la velocidad a partir de los conceptos de espacio y tiempo, que le llevó al descubrimiento de la inercia. Newton amplio el concepto de inercia en sus leyes al introducir la fuerza y la aceleración en los sistemas mecánicos. Maxwell dedujo la velocidad de la luz a partir de los sistemas electromagnéticos y encontró un problema, los resultados no cuadraban con las ecuaciones de Newton. Es decir, o tenía razón Maxwell o tenia razón Newton. Einstein modificó los conceptos de espacio y tiempo dados por Galileo y dio la razón a Maxwell con su teoría de la relatividad especial. Más tarde generalizo el concepto de aceleración de Newton en su teoría de la relatividad general.
Ahora con más detalle, quizá demasiado;
Galileo Galilei (1564-1642), a principios del siglo XVII formuló la hipótesis de que el movimiento es una noción relativa. Llegó a este resultado al observar que cuando un barco se movia en línea recta con velocidad constante, en estas circunstancias era imposible determinar si se movía el barco o la orilla. Actualmente podemos observar este curioso fenómeno dentro de un tren en la estación, al lado de otro tren. Si nuestro tren empieza a avanzar lentamente, parece que avanza el tren de al lado, hasta que no desaparece y observamos a nuestro amigo o amiga saludándonos desde la estación quieta no nos damos cuenta que el tren que se mueve es el nuestro.
A partir de estas simples observaciones (y muchos experimentos) Galileo introduce el concepto de Sistema de Referencia (SR). En nuestro caso actual diríamos que nuestro tren es un sistema de referencia y la estación es otro sistema de referencia. ¿Pero cual se esta moviendo? ¿Se mueve nuestro tren o se mueve la estación? Desde nuestro tren parece que es la estación la que se mueve, en cambio desde el punto de vista de la estación es nuestro tren el que se mueve. ¿Cuál tiene razón?, los dos tienen razón. No se puede determinar el movimiento absoluto, solamente el movimiento relativo. La estación se mueve respecto nuestro tren, diríamos nosotros. En cambio nuestro amigo en la estación dirá que es nuestro tren el que se mueve respecto la estación.
A la transformación del espació y el tiempo dados por las ecuaciones anteriores se denomina principio de relatividad de Galileo. Nos dice como se transforman las posiciones (x,y,z) a medida que los sistemas de referencia se mueven unos respecto de los otros. Pero el tiempo es el mismo en los dos sistemas de referencia. Diríamos que dos relojes idénticos marcaran el mismo tiempo en S que en S’.
Posteriormente Isaac Newton (1642-1727) utiliza este principio de relatividad para adecuarlo a la dinámica. Con la introducción de la aceleración y la fuerza los sistemas de referencia sufren modificaciones. Para evitar estos problemas Newton Introduce los Sistemas de Referencia Inerciales (SRI). Son aquellos sistemas que se mueven unos respecto a los otros con velocidad constante, es decir, los SRI no están acelerados.
Nos preguntamos, ¿Qué sucederá si aplicamos la transformación de Galileo a los SRI? ¿Cómo se vera un misma fuerza desde dos SRI distintos?. Recordemos que la segunda ley de Newton nos dice que la fuerza es proporcional a la aceleración.
¿Serán las aceleraciones iguales en los dos SRI?. Pues si, la transformación de Galileo nos dice que en los SRI las aceleraciones son las mismas y por tanto las fuerzas también (véase el Apéndice A del texto adjunto). De esta manera se cumple el principio de Galileo de que los procesos físicos tienen que ser independientes del observador (o del Sistema de Referencia que viene a ser lo mismo). La mecánica de Newton cumple este principio de Galileo.
James Clerk Maxwell (1831- 1879) fue uno de los grandes científicos del siglo XIX con efectos inmediatos en el siglo XX. No muy buen estudiante durante su niñez, pero ya en la Universidad de Cambridge, Maxwell quiso ponerse al día intentando estudiar por la noche. Se acostaba por la tarde y se levantaba a las 21 horas para trabajar durante gran parte de la noche. Para no dormirse incluía un periodo de ejercicio de dos a dos i media, que consistía en correr escaleras arriba y escaleras abajo y por los pasillos de las habitaciones. Desgraciadamente sus compañeros no se acostumbraron a los ruidos nocturnos y lo bombardearon con zapatos. Y Maxwell tuvo que volver a estudiar de día y dormir de noche como todos los demás.
Antes del siglo XIX se creía que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos distintos y seguían leyes (ecuaciones) distintas. A partir de observaciones más precisas se concluyó finalmente en 1821 que la electricidad y el magnetismo eran producidos por una misma causa a la que se llamo electromagnetismo. Maxwell se dio cuenta que si se colocaban las ecuaciones básicas del electromagnetismo todas juntas (solo son cuatro) presentaban una asimetría matemática. Con tan solo añadir una pequeña modificación (corriente de desplazamiento) las cuatro ecuaciones eran simétricas. Y esta simetría conducía a un resultado teórico sorprendente, la luz estaba formada por ondas electromagnéticas. Y deducía teóricamente su valor, coincidiendo con el valor medido de unos 300.000 km/s en el vacío.
Desgraciadamente sus colegas científicos consideraron una aberración este resultado y no le hicieron el menor caso. Maxwell murió en 1879, el mismo año que nació Einstein. Nueve años más tarde, en 1888 se comprobó experimentalmente las ideas de Maxwell. Tenía razón. La luz se propaga por el espacio como una onda electromagnética. Puesto que las ondas mecánicas se propagan en medios materiales se creyó que las ondas electromagnéticas se propagaban en un medio material que se denominó éter. Este éter ocupaba todo el universo y además solucionaba un pequeño problema acerca de los sistemas de referencia. ¿Se acuerdan que Maxwell dedujo teóricamente la velocidad de la luz? Pero ¿respecto de que sistema de referencia se media esta velocidad?, el éter lo resolvía, el Sistema de Referencia era el éter. Era lo más parecido a un sistema de referencia absoluto, el Sistema de Referencia Inercial perfecto.
Pero, ¿serian las ecuaciones de Maxwell invariantes bajo la transformación de Galileo?, o dicho de otra manera, ¿seguirán las ecuaciones de onda electromagnéticas la transformación de Galileo?. La respuesta es NO (véase el apéndice B del texto adjunto siempre y cuando disponga de la suficiente cantidad de analgésicos).
Este resultado no se esperaba, si el electromagnetismo no sigue el principio de Galileo, tendrá que seguir otra transformación, pero entonces la mecánica de Newton fracasa. Estamos en una encrucijada, o bien es cierto el electromagnetismo de Maxwell y falla la mecánica de Newton o es cierta la mecánica y falla el electromagnetismo. Quien halló la respuesta fue Einstein, en 1905. La mecánica de Newton no es cierta y el electromagnetismo de Maxwell si es cierto. Pero se tiene que modificar la transformación de Galileo. La modificación pasa por transformar el espacio y el tiempo. Para dos observadores situados en diferentes sistemas de referencia la medida sobre el espacio y el tiempo es diferente. Es decir, la transformación debe ser sobre el espacio-tiempo.
Esta transformación entre los sistemas de referencia se denomina transformación de Lorentz, por ser el primero en encontrarlas pero sin darse cuenta de su significado real.
Einstein lo encontró a partir de unos principios básicos. El éter no existe y la velocidad de la luz es la misma para todos los Sistemas de Referencia. Es decir, no existe ningún Sistema de Referencia Absoluto. Es el principio de relatividad de Einstein. Esta teoría fue parodiada en la prensa, satirizada por caricaturistas y humoristas y ridiculizada por aquellos que no la entendían.
La transformación de Lorentz viene dado por la siguiente expresión
Se observa que cuando la velocidad v es muy pequeña comparada con la de la luz se convierte en la transformación de Galileo.