Principio de relatividad especial y general
El principio fundamental, que constituía el eje de todas nuestras consideraciones anteriores, era el principio especial de la relatividad, es decir, el principio de la relatividad física de todo movimiento uniforme. Analicemos una vez más su significado detenidamente.
Era en todo momento evidente que, desde el punto de vista de la idea que nos transmite, todo movimiento debe considerarse únicamente como un movimiento relativo. Volviendo al ejemplo que hemos utilizado con frecuencia del terraplén y el vagón de ferrocarril, podemos expresar el hecho del movimiento que aquí tiene lugar en las dos formas siguientes, ambas igualmente justificables:
(a) El carruaje está en movimiento con respecto al terraplén.
(b) El terraplén está en movimiento con respecto al vagón.
En (a) el terraplén, en (b) el carruaje, sirve como cuerpo de referencia en nuestra exposición del movimiento que tiene lugar. Si se trata simplemente de detectar o de describir el movimiento en cuestión, es en principio indiferente a qué cuerpo de referencia refiramos el movimiento.
Como ya se ha dicho, esto es evidente por sí mismo, pero no debe confundirse con la afirmación mucho más amplia denominada «el principio de relatividad», que hemos tomado como base de nuestras investigaciones.
El principio del que nos hemos servido no solo sostiene que podemos elegir igualmente el tren o el terraplén como nuestro cuerpo de referencia para la descripción de cualquier evento (pues esto también es evidente por sí mismo). Nuestro principio afirma más bien lo siguiente: si formulamos las leyes generales de la naturaleza tal como se deducen de la experiencia, haciendo uso de
(a) el terraplén como cuerpo de referencia, (b) el vagón de ferrocarril como cuerpo de referencia,
entonces estas leyes generales de la naturaleza (p. ej., las leyes de la mecánica o la ley de la propagación de la luz en el vacío) tienen exactamente la misma forma en ambos casos. Esto también puede expresarse de la siguiente manera: para la descripción física de los procesos naturales, ninguno de los cuerpos de referencia , es privilegiado (lit. "especialmente distinguido") en comparación con el otro. A diferencia de la primera, esta última afirmación no tiene por qué cumplirse necesariamente a priori; no está contenida en los conceptos de "movimiento" y "cuerpo de referencia" ni es deducible de ellos; solo la experiencia puede decidir sobre su corrección o incorrección.
Hasta el presente, sin embargo, de ningún modo hemos mantenido la equivalencia de todos los cuerpos de referencia en relación con la formulación de las leyes naturales.
Nuestro proceder ha sido más bien el siguiente. En primer lugar, partimos del supuesto de que existe un cuerpo de referencia cuyo estado de movimiento es tal que con respecto a él se cumple la ley galileana: una partícula abandonada a sí misma y suficientemente alejada de todas las demás partículas se mueve uniformemente en línea recta.
Con respecto a (cuerpo de referencia galileano), las leyes de la naturaleza debían ser lo más simples posible. Pero, además de , debían tener preferencia todos los cuerpos de referencia en este sentido, y debían ser exactamente equivalentes a para la formulación de las leyes naturales, siempre que se encontrasen en un estado de movimiento rectilíneo uniforme y no rotatorio con respecto a ; todos estos cuerpos de referencia han de considerarse cuerpos de referencia galileanos.
La validez del principio de relatividad se asumió únicamente para estos cuerpos de referencia, pero no para otros (por ejemplo, aquellos que poseen un tipo de movimiento diferente). En este sentido se habla del principio de relatividad especial, o teoría de la relatividad especial.
En contraste con esto, deseamos entender por «principio general de relatividad» la siguiente afirmación:
Todos los sistemas de referencia , , etc., son equivalentes para la descripción de los fenómenos naturales (formulación de las leyes generales de la naturaleza), cualquiera que sea su estado de movimiento.
Pero antes de avanzar más, conviene señalar que esta formulación deberá ser reemplazada más adelante por una más abstracta, por razones que se harán evidentes en una etapa posterior.
Desde el momento en que se ha justificado la introducción del principio especial de relatividad, todo intelecto que aspire a la generalización debe sentir la tentación de arriesgar el paso hacia el principio general de relatividad.
Pero una consideración sencilla y en apariencia muy fiable parece sugerir que, al menos por el momento, hay pocas esperanzas de éxito en tal intento.
Imaginémonos trasladados a nuestro viejo amigo el vagón de ferrocarril, que avanza a una velocidad uniforme. Mientras se mueve uniformemente, el ocupante del vagón no percibe su movimiento, y es por esta razón por la que puede interpretar sin reservas los hechos del caso como indicios de que el vagón está en reposo y el terraplén en movimiento. Es más, según el principio especial de relatividad, esta interpretación está también plenamente justificada desde un punto de vista físico.
Si el movimiento del carruaje se transforma ahora en un movimiento no uniforme, como por ejemplo mediante una enérgica aplicación de los frenos, el ocupante del carruaje experimentará una sacudida hacia adelante correspondientemente intensa.
El movimiento retardado se manifiesta en el comportamiento mecánico de los cuerpos en relación con la persona situada en el vagón de ferrocarril. El comportamiento mecánico es distinto al del caso considerado anteriormente, y por esta razón parecería imposible que las mismas leyes mecánicas sean válidas con respecto al carruaje con movimiento no uniforme que las que se cumplen en referencia al carruaje en reposo o en movimiento uniforme.
Sea como fuere, es evidente que la ley de Galileo no es válida respecto al carruaje con movimiento no uniforme. Debido a esto, nos sentimos obligados en este momento a conceder una especie de realidad física absoluta al movimiento no uniforme, en oposición al principio general de relatividad. Pero en lo que sigue veremos pronto que esta conclusión no puede mantenerse.