La teoría de la relatividad en la escuela

Albert Einstein nació el 14 de marzo de 1879 en la ciudad de Ulm, Alemania y murió en Princeton, Estados Unidos, el 18 de abril de 1955. Un año después de su nacimiento, su familia se mudó a Munich, donde recibió una estricta educación. A los 12 años, después de que sus tíos Jakob y Cäsar le inculcaran el gusto por las matemáticas y la ciencia, Einstein decidió tomar un camino que lo llevaría a resolver «el enigma del mundo entero», como él mismo lo denominó. Después de una breve estancia en Milán, Einstein estudió física y matemáticas en la Academia Politécnica Federal de Zürich, en Suiza.

Einstein, el físico

“No tengo talentos especiales. Solo una anormal curiosidad”.

El año 1905 pasará a ser conocido como el «año mágico» de Einstein. En esa fecha se publicó una serie de teorías con las que alcanzaría fama mundial.

• Explicación del movimiento browniano: revolucionó la mecánica estadística. El movimiento, que toma su nombre del botánico escocés Thomas Brown, establece que las moléculas de un gas o un líquido se encuentran en constante movimiento aleatorio. A menor tamaño y viscosidad de las moléculas, su movimiento se acelera. La teoría tiene una traducción en lenguaje estadístico, donde se puede analizar, por ejemplo, el comportamiento fluctuante de una bolsa de valores.
• Efecto fotoeléctrico: está basada en la hipótesis de que la luz está integrada por «cuantos» individuales, más tarde denominados fotones. Hasta ese momento se pensaba que la luz solo estaba conformada por ondas.
• Teoría especial de la relatividad: estableció que la energía (E) de un cuerpo está relacionada con su masa (m) y con la velocidad de la luz. De ahí la universalmente conocida ecuación E=mc², que —por ejemplo— permitió avanzar en la creación de reactores nucleares.

Hernán Ferrari sobre la teoría de la relatividad

La teoría de la relatividad fue uno de sus trabajos más importantes; sin embargo, aún se encontraba en medio del debate, por lo que no fue mencionada en la notificación de la obtención del Premio Nobel de Física en 1921. El físico Hernán Javier Ferrari se refiere a esta teoría:

—¿Cuáles son los aspectos fundamentales de la teoría de la relatividad?

—A diferencia de la mecánica newtoniana, donde el espacio y el tiempo son absolutos, Einstein, en su teoría especial de la relatividad, consideraba tanto al tiempo como al espacio cambiantes y relativos. Utilizaba experimentos imaginarios para explicar su teoría: uno de ellos es el de los hermanos gemelos. En él, dos hermanos gemelos se separan, dado que uno de ellos va a realizar un vuelo por el espacio a velocidades cercanas a la de la luz, mientras que el otro hermano se queda esperando en la Tierra. Cuando se encuentran, al regreso del hermano viajero, el hermano que permaneció en la Tierra es más viejo que el hermano que viajó, dado que el tiempo para ambos no avanzó de la misma manera. He aquí la relatividad del tiempo y esa relatividad depende de la velocidad a la que se mueva cada hermano. Para el hermano que viajó a altas velocidades el tiempo se contrajo y por eso para él el paso del tiempo fue menor que para el hermano que se quedó en la Tierra moviéndose a bajas velocidades.

Por su parte, al moverse a la velocidad de la luz, además de contraerse el tiempo, las distancias también se contraen y las cosas se hacen más pesadas. De esta forma relacionó la masa de los cuerpos con la velocidad que tienen, y aquí apareció una de las ecuaciones más famosas de la historia, que relaciona la energía con la masa de un cuerpo en reposo a través del cuadrado de la velocidad de la luz E=mc².

—¿Qué significó esa teoría para la historia de la física?

—Esta teoría revolucionaria es uno de los hitos en la historia de la física, pues vino a refutar la mecánica de Newton que explicaba perfectamente todos los fenómenos de nuestra vida a bajas velocidades, y estaba, por lo tanto, tan asimilada por nosotros que había pasado a ser una cuestión de sentido común. ¡No es simple asimilar que una persona envejece más lentamente que otra por moverse a mayor velocidad!

—¿Cómo se aplica esta teoría en la vida cotidiana?

—La relatividad del tiempo dependiendo de la velocidad del movimiento influye en cómo transcurre el tiempo en los satélites que permiten los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS, su sigla en inglés), que dan nuestra posición en la Tierra midiendo el tiempo que tarda en ir y volver una señal desde tres o más satélites diferentes. Para ellos, nuestros relojes y los de los satélites que se mueven alrededor de la Tierra deben estar sincronizados. Por esta razón, el tiempo del satélite debe corregirse aplicando la teoría de la relatividad, para obtener datos correctos de nuestra posición.

Otra aplicación de la teoría de la relatividad es la obtención de energía atómica (energía que se libera en la ruptura de un átomo para dar residuos con una masa total un poco menor que la del átomo inicial). Esa diferencia de masa corresponde a una gran cantidad de energía que se utiliza con fines pacíficos en nuestro país, para convertirla en electricidad en centrales como Atucha.

La teoría de la relatividad en la escuela

Para poder explicar estos conceptos tan poco intuitivos, los docentes podemos ayudarnos con la gran cantidad de excelente material audiovisual que se puede encontrar en internet, y en los escritorios de educ.ar.

Dentro de las herramientas que ofrece la Web se encuentran las secuencias didácticas sobre física que el propio Ferrari realizó para el portal educ.ar:

Paradoja de los gemelos. En esta secuencia los alumnos analizarán la paradoja que aparece con la teoría de la relatividad cuando una persona se mueve a una velocidad cercana a la velocidad de la luz.

El éter y la propagación de la luz. En esta secuencia se analizarán las antiguas explicaciones sobre el medio a través del cual se propaga la luz así como los experimentos que se realizaron para intentar medir el movimiento a través del mismo.

La contracción de Fitzgerald y las transformaciones de Lorentz. Fitzgerald fue uno de los físicos que apoyaron la teoría electromagnética de Maxwell, quienes la revisaron, ampliaron, clarificaron y confirmaron. Su idea se basa en parte, en la manera en que las fuerzas electromagnéticas son afectadas por el movimiento. El físico holandés Hendrik Lorentz desarrolló una idea similar en 1892 y la conectó con su teoría de los electrones.

Observadores en movimiento relativo. Esta secuencia plantea analizar el experimento entre dos observadores con movimiento relativo para explicar la contracción de Fitzgerald y la dilatación del tiempo según la teoría de la relatividad.

Velocidad, espacio y tiempo. A partir del trabajo con esta secuencia se les pide a los alumnos que identifiquen la fórmula de la transformación relativista de la velocidad y en qué se diferencia de la obtenida con la transformación de Galileo y que utilicen diagramas espacio-tiempo para entender problemas que involucran altas velocidades.

Einstein, el alumno

«La sabiduría no es un producto de la educación sino de toda la vida el intento de adquirirla».

El hecho de que una persona no tenga éxito dentro de sistema educativo no significa que carezca de talento e inteligencia y que no pueda sentirse realizada en la vida.

El libro Enciclopedia de malos alumnos y rebeldes que llegaron a genios, de Jean-Bernard Pouy, Serge Bloch y Anne Blanchard, incluye a Einstein en una lista de aquellos que fallaron en la infancia, los que repitieron grados, los que enojaron a sus padres, los que tuvieron dificultades para aprender, para luego oponer aquellas penurias al futuro brillante que los hizo entrar en la historia.

«En la escuela, por otra parte, (Einstein) es una catástrofe: lo encuentran lento porque reflexiona horas antes de responder a una pregunta y no logra aprender nada de memoria. Lo consideran un pesado porque verdaderamente no entiende qué significan las reglas y las órdenes. Además, su falta total de interés por los deportes lo separa de sus compañeros...».

También existen refutaciones a esta afirmación, aunque no deja de estar latente la perpetua necesidad de crear y habilitar condiciones de posibilidad en la escuela.

Einstein en la Argentina

Tras pasar por Río de Janeiro y Montevideo, Einstein llegó a nuestro país el 24 de marzo de 1925. En la Argentina pasó un mes entero dictando conferencias y participando en numerosas recepciones, banquetes y reuniones.