La teoría de la relatividad incluye tanto a la teoría de la relatividad especial y como a la relatividad general, formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.
La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905,
trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas
gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del
electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento.
La teoría de la relatividad general, publicada en 1915, es
una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana, aunque
coincide numéricamente con ella para campos gravitatorios débiles y
"pequeñas" velocidades. La teoría general se reduce a la teoría
especial en ausencia de campos gravitatorios.
No fue hasta el 7 de marzo de 2010 cuando fueron mostrados
públicamente los manuscritos originales de Einstein por parte de la Academia
Israelí de Ciencias, aunque la teoría se había publicado en 1905. El manuscrito
contiene 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas redactadas a mano, y fue
donado por Einstein a la Universidad Hebrea de Jerusalén en 1925 con motivo de
su inauguración.
El presupuesto básico de la teoría de la relatividad es que
la localización de los sucesos físicos, tanto en el tiempo como en el espacio,
son relativos al estado de movimiento del observador: así, la longitud de un
objeto en movimiento o el instante en que algo sucede, a diferencia de lo que
sucede en mecánica newtoniana, no son invariantes absolutos, y diferentes
observadores en movimiento relativo entre sí diferirán respecto a ellos (las
longitudes y los intervalos temporales, en relatividad son relativos y no
absolutos).
La teoría de la relatividad especial, también llamada teoría
de la relatividad restringida, fue publicada por Albert Einstein en 1905 y
describe la física del movimiento en el marco de un espacio-tiempo plano. Esta
teoría describe correctamente el movimiento de los cuerpos incluso a grandes
velocidades y sus interacciones electromagnéticas y se usa básicamente para
estudiar sistemas de referencia inerciales (no es aplicable para problemas
astrofísicos donde el campo gravitatorio desempeña un papel importante).
Estos conceptos fueron presentados anteriormente por
Poincaré y Lorentz, que son considerados como precursores de la teoría. Si bien
la teoría resolvía un buen número de problemas del electromagnetismo y daba una
explicación del experimento de Michelson-Morley, no proporciona una descripción
relativista adecuada del campo gravitatorio.
Tras la publicación del artículo de Einstein, la nueva
teoría de la relatividad especial fue aceptada en unos pocos años por la
práctica totalidad de los físicos y los matemáticos. De hecho, Poincaré o
Lorentz habían estado muy cerca de llegar al mismo resultado que Einstein. La
forma geométrica definitiva de la teoría se debe a Hermann Minkowski, antiguo
profesor de Einstein en la Politécnica de Zürich; acuñó el término "espacio-tiempo"
(Raumzeit) y le dio la forma matemática adecuada. El espacio-tiempo de
Minkowski es una variedad tetradimensional en la que se entrelazaban de una
manera insoluble las tres dimensiones espaciales y el tiempo. En este
espacio-tiempo de Minkowski, el movimiento de una partícula se representa
mediante su línea de universo (Weltlinie), una curva cuyos puntos vienen
determinados por cuatro variables distintas: las tres dimensiones espaciales
(x\ ,y\ ,z\ ) y el tiempo (t\).
El nuevo esquema de Minkowski obligó a
reinterpretar los conceptos de la métrica existentes hasta entonces. El
concepto tridimensional de punto fue sustituido por el de evento. La magnitud
de distancia se reemplaza por la magnitud de intervalo.
La relatividad general fue publicada por Einstein en 1915, y
fue presentada como conferencia en la Academia de Ciencias Prusiana el 25 de
noviembre. La teoría generaliza el principio de relatividad de Einstein para un
observador arbitrario. Esto implica que las ecuaciones de la teoría deben tener
una forma de covariancia más general que la covariancia de Lorentz usada en la
teoría de la relatividad especial. Además de esto, la teoría de la relatividad
general propone que la propia geometría del espacio-tiempo se ve afectada por
la presencia de materia, de lo cual resulta una teoría relativista del campo
gravitatorio. De hecho 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.
Debe notarse que el matemático alemán David Hilbert escribió
e hizo públicas las ecuaciones de la covarianza antes que Einstein. Ello
resultó en no pocas acusaciones de plagio contra Einstein, pero probablemente
sea más, porque es una teoría (o perspectiva) geométrica. La misma postula que
la presencia de masa o energía «curva» al espacio-tiempo, y esta curvatura
afecta la trayectoria de los cuerpos móviles e incluso la trayectoria de la
luz.
Einstein expresó el propósito de la teoría de la relatividad
general para aplicar plenamente el programa de Ernst Mach de la relativización
de todos los efectos de inercia, incluso añadiendo la llamada constante
cosmológica a sus ecuaciones de campo para este propósito. Este punto de
contacto real de la influencia de Ernst Mach fue claramente identificado en
1918, cuando Einstein distingue lo que él bautizó como el principio de Mach
(los efectos inerciales se derivan de la interacción de los cuerpos) del
principio de la relatividad general, que se interpreta ahora como el principio
de covarianza general.
