L’origen històric de la teoria de la relativitat és l’article “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” (‘Sobre l’electrodinàmica dels cossos en moviment’, 1905), d’Albert Einstein; en realitat, però, la modificació dels conceptes tradicionals començà amb la discrepància entre els postulats del moviment relatiu newtonià i l’experiment de Michelson-Morley (1881), que determinà la invariància de la velocitat de la llum en el buit i la inexistència de l’èter.
A fi de donar una descripció formal a l’experiment de Michelson, l’holandès H. Lorentz postulà el 1895 unes fórmules de transformació de coordenades d’un sistema de referència a un altre que es mou amb velocitat rectilínia i uniforme respecte al primer. Per tal d’explicar que la velocitat de la llum semblava independent del moviment de la terra, Lorentz suposà que tots els cossos en moviment respecte a l’èter tenien tendència a contreure’s en el sentit del moviment, pel fet que tot cos és format per càrregues elèctriques elementals i aquestes, en moviment, creen forces que les fan reagrupar. Amb aquesta hipòtesi explicava l’esmentat experiment sense contradir la mecànica clàssica, puix suposava que la llum, en l’interferòmetre de Michelson, es propagava més lentament en el tub longitudinal que en el lateral, però com que el primer sofria una contracció, la llum trigava el mateix temps per recórrer-lo. Ara bé, la teoria de la relativitat dedueix la contracció de Lorentz a partir d’un replantejament dels conceptes de temps i espai, que semblaven establerts d’una manera definitiva en la física clàssica.
A més a més, la massa d’un cos, que fins al començament del segle XX havia estat considerada una magnitud constant, en aplicar les transformacions de Lorentz a les lleis bàsiques de la física augmenta progressivament amb la seva velocitat, i, quan el cos ateny la velocitat de la llum, la seva massa és tan gran que no pot suportar cap més acceleració. Aquest fet ha estat demostrat experimentalment en els acceleradors de partícules. La teoria de la relativitat estableix que la propagació d’una interacció no és instantània, com postula la mecànica clàssica, sinó que té un valor finit, que és el de la velocitat de la llum (2,997925 · 108 m/s), i és constant en tots els referencials d’inèrcia; aquest postulat obliga a revisar el concepte de simultaneïtat i a considerar que no existeix una escala de temps absoluta; és a dir, dos esdeveniments que, independentment del punt de l’espai on són produïts, són percebuts com a simultanis per un observador determinat, no ho són forçosament per un altre situat en un sistema de referència que es mogui amb moviment rectilini i uniforme respecte al primer.
En definitiva, la llei clàssica que diu que la velocitat d’un moviment compost és igual a la suma vectorial de les velocitats que el componen, en relativitat no és aplicable a la propagació de les interaccions, o sia, a la velocitat de la llum. En la formulació de les lleis físiques, hom passa de la mecànica relativista a la clàssica, fent tendir a infinit el valor de la velocitat de la llum que hi intervé. Segons Einstein, tot moviment és relatiu, i, per tant, és impossible de trobar un sistema de referència absolut; per això qualsevol llei física ha de tenir una forma matemàtica tal que, en aplicar-li la transformació de Lorentz en un canvi de coordenades, conservi la seva forma o, dit d’una altra manera, sigui invariant respecte a la transformació de Lorentz. Així, tant les lleis dels fenòmens electromagnètics com les dels mecànics són les mateixes en tots els referencials d’inèrcia, encara que hi hagi moviments relatius entre ells. És a dir, tots els referencials d’inèrcia són equivalents per a tots els fenòmens.
Segons la teoria de la relativitat, la massa (m) i l’energia (E) són dues formes diferents d’una mateixa cosa: la massa pot convertir-se totalment en energia, i viceversa. La relació que hi ha és E = mc2, on c és la velocitat de la llum en el buit. Per tant, cal substituir les dues lleis separades de conservació de la massa i de l’energia de la física clàssica per una de sola que digui que, en un sistema de referència donat, l’energia relativista total d’un sistema aïllat és constant. Hermann Minkowski desenvolupà (1908) el formulisme matemàtic de la teoria de la relativitat i demostrà que el principi d’invariància de la velocitat de la llum podria ésser expressat amb una forma purament geomètrica, i introduí el concepte d’esdeveniment, entès com la localització d’una partícula, en un instant donat, en un punt donat de l’espai.
En la teoria de la relativitat, dos fets no són simultanis per a observadors amb velocitats diferents: O veu els senyals lluminosos A i B, en canvi, O’ veu A abans que B
© Fototeca.cat
És a dir, segons paraules de Minkowski, l’esdeveniment és representat per un punt d’univers, en un espai de quatre coordenades (les tres espacials i el temps), i el seu moviment segueix una línia d’univers. Les quatre coordenades són x1 = x, x2 =y, x3 = z i x4 = ict, essent
, és a dir, la coordenada temps és imaginària; però amb aquest postulat hom pot treballar en aquest univers amb la mateixa lògica que la geometria analítica euclidiana i representar l’element d’espai, que en el de tres dimensions és ds2 = dx2 + dy2 + dz2, per ds2 = dx2 + dy2 + dz2 — c2dt2; així, la transformació de Lorentz correspon a una rotació del sistema de coordenades d’univers de quatre dimensions.
El 1916 Einstein, en l’article “Die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie” (‘Bases de la teoria de la relativitat general’), generalitzà la teoria de la relativitat a qualsevol tipus de moviment, no solament al rectilini i uniforme. En aquest article explica que la gravetat procedeix del fet que totes les masses són embolcades per un camp gravitacional anàleg al creat per una càrrega elèctrica, i això fa que al voltant dels cossos hi hagi una geometria diferent de la tradicional i, per tant, un cos que es mogui en el camp gravitacional es comporta com si hi hagués una força de gravetat igual a la calculada per Newton.
El 2010 un equip de físics dels EUA confirmaren la teoria a escala humana que aprecia una diferència entre els temps mesurats per dos rellotges òptics que es movien un respecte de l’altre amb una diferència de velocitat de tan sols 35 km ⁄ h. També apreciaren una diferència entre els temps mesurats per dos rellotges amb una diferència d’alçària de només 33 cm. L’any 2016 l’equip del Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) aportà la primera prova empírica de les ones gravitatòries predites en la teoria de la relativitat general.