Galileo, Newton, Maxwell y Einstein

Una vez me pidieron al final de una conferencia si podía resumir en cuatro palabras la ciencia de nuestros días, respondí con estas cuatro palabras: Galileo, Newton, Maxwell, Einstein.
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.

En el gráfico anterior S’ representa un SR en movimiento respecto el SR S, la velocidad del movimiento es v y dirigida en la dirección del eje x positivo. La distancia de separación entre los dos sistemas, el S y el S’ aumenta con el tiempo según la ecuación, distancia = velocidad x tiempo. Según este punto de vista un punto en el Sistema S coincide con un punto en S’ cuando x es igual a x’ mas vt.

Estas ecuaciones ilustran matemáticamente la transformación de Galileo. Relaciona el espacio y el tiempo medido por dos observadores situados en dos sistemas de referencia distintos. Observemos como el tiempo es el mismo para los dos observadores. Galileo considera que los procesos físicos tienen que ser independientes del observador. En este caso las leyes de la física tienen que ser independientes del sistema de referencia utilizado para describir los fenómenos físicos.
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.

Lo sorprendente de este resultado es que Maxwell lo halló tan solo observando las ecuaciones, fue un hallazgo matemático con increíbles resultados físicos. Se preguntaran, ¿porque las matemáticas predicen nuestro universo físico?, bueno, pues tema para otro post.
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.

Acerca de Carles Paul

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona, Master en Física y Matemática Aplicada por la Universidad Politécnica de Cataluña y Master en Historia de la Ciencia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Técnico Experto Evaluador Europeo. Profesor titulado de física y matemáticas de la Politècnica de Mataró, des de 1991. Director Científico de Innovem.
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15 respuestas a Galileo, Newton, Maxwell y Einstein

  1. Anonymous dijo:

    muy buen articulo, aunque lo de los años de nacimiento no lo comparto, me parece a mi que más bien es leyenda como lo de Cervantes y Shakespeare. Igualmente muy bueno, aunque yo sólo hubiera respondido: Galileo, creo que fue el que tuvo más mérito

  2. Carles Paul dijo:

    Bueno, en parte tienes razón. Galileo Galilei murio en Florencia un 8 de enero de 1642 y Isaac Newton nacio en la navidad de 1642, pero del antiguo calendario, puesto que Inglaterra no remplazó el Calendario Juliano por el Gregoriano sino hasta el año 1752.
    Según el nuevo calendario Newton nació el 4 de enero de 1643.
    James Clerk Maxwell murió el 5 de noviembre de 1879 y Einstein nació el 14 de marzo de 1879. Einstein nació antes que muriera Maxwell.
    Pero, si mas no, es curiosa la coincidencia en el breve espacio entre la muerte de Galileo y el nacimiento de Newton y entre Maxwell y Einstein.
    Galileo tiene el mérito de empezar el camino de la ciencia y saberlo defender con sabiduría. Por esto empiezo el artículo con Galileo y si te fijas, también lo termino con Galileo. La transformación de Lorentz (Einstein si quieres) se convierte en la de Galileo. En el fondo de todas las ecuaciones esta y estará siempre Galileo.

  3. Anónimo2 dijo:

    Pues yo creo que tiene mucho más mérito teorizar con “algo que no ves”. Por tanto, me quedo com Maxwell

  4. Carles Paul dijo:

    Tanto Galileo como Maxwell tienen el mérito de ser unos visionarios. Los dos murieron antes que sus ideas fuesen ampliamente aceptadas y reconocidas. Y los dos ampliaron nuestro conocimiento, Galileo el de la mecánica y Maxwell el del electromagnetismo. Podríamos decir (muy a la ligera eso si) que sin Galileo no existiría Newton y sin Maxwell no existiría Einstein.
    No me cabe ninguna duda de que actualmente estamos faltos de visionarios, nuestra ciencia se encuentra en un callejón cuya salida es más matemática que física. Y en esto ya decía Einstein más o menos lo siguiente “en cuanto más entiendo la matemática menos comprendo la física”.

  5. Anónimo2 dijo:

    Insisto: creo que una cosa es dejar caer piedrecitas de la torre de pisa y hacer mediciones y otra cosa muy distinta plantear las ecuaciones de Maxwell.

  6. Carles Paul dijo:

    Seguramente Galileo nunca tiro piedras desde la torre de Pisa, es más bien una leyenda urbana. Pero si hizo muchos experimentos en su taller-laboratorio, a partir de los cuales ideo conceptos físicos y matemáticos para explicarlos. Uno de ellos fue revolucionar la física, cambió los conceptos ideados por Aristóteles que llevaban 2000 años sin discutirse. Por ejemplo, se pensaba que los objetos más pesados caían más rápido que los menos pesados. Ideo el siguiente experimento mental (al igual que hacia Einstein), un yunque caería más rápido que un martillo, que ocurriría si atamos un martillo con una cuerda (de peso despreciable) a un yunque. Al caer los dos juntos, el martillo que cae más lentamente frenaría la caída del yunque, de manera que los dos objetos juntos caerían más despacio que el yunque solo. Es decir un objeto, en conjunto más pesado, caería más lentamente, contradiciendo la teoría. Galileo supuso que la única opción de evitar esta paradoja es suponer que los objetos caen a la misma velocidad, si no observamos esta conclusión es que el aire de la atmósfera frena diferentemente a los objetos. Para verificar su experimento mental, realizo numerosos experimentos con bolas y planos inclinados que corroboraron su tesis.
    En uno de los viajes a la luna, se lanzó un martillo y una pluma y los dos caen al suelo luanar en el mismo instante. Ver “Midiendo la gravedad lunar” viernes 23 de noviembre de 2007 en este mismo blog.
    Seguramente no es adecuado comparar Galileo con Maxwell, creo que es mejor compararlo con Faraday. Que también a partir de sus experimentos en su taller allanó el camino a Maxwell.

  7. Anónimo2 dijo:

    Normalmente en ciencia primero obtienes un resultado y luego justificas porqué te sale, pero como lo elegante es al revés, pues los presentas en orden inverso y problema solventado.
    ¿Seguro que Galileo planteó eso antes de experimentarlo?
    En cualquier caso, la capacidad de abstracción para plantear sobre ondas electromagnéticas está a años luz (con perdón) de la capacidad de abstracción necesaria para teorizar sobre yugos y flechas, ay perdón, digo hoces y martillos

  8. Carles Paul dijo:

    Galileo experimento con bolas de diferentes tamaños y materiales que rodaban en planos inclinados de diferentes inclinaciones. De aqui saco la conclusión y una forma de entenderlo es con un experimento mental del tipo yunques i martillos.
    Maxwell por supuesto tiene un poder de abstracción superior a Galileo, pero se basa en Galileo. Es una aportación más, Maxwell pensaba que los campos electromagnéticos eran algo mecànico, seguia el pensamiento de Galileo. I sus ecuaciones reflejaban este pensamiento. Incluso ideo una máquina para explicar el comportamiento mecánico de las ondas electromagnéticas. Solo a partir de Einstein se modifica este aspecto.

  9. Anónimo dijo:

    Carles, hablando de famosillos: ¿qué piensas de estas frases y de los que las pronunciaron?

    Aristóteles: “debemos considerar la condición femenina como si fuera una deformidad, si bien se trata de una deformidad natural”.

    Erasmo de Rótterdam “una mujer es siempre mujer, es decir, loca, por muchos esfuerzos que realice para ocultarlo”.

    Fray Luis de León “ la mujer es flaca y deleznable más que ningún otro animal”.

    Lutero: “Aunque las mujeres se agoten y se mueran de tanto parir, no importa, que se mueran de parir, para eso existen”.

    Rosseau: “no pudiendo ser jueces de sí mismas, las mujeres deben admitir la decisión de sus pares y esposos, igual que la de la iglesia”.

    Kant: “A una mujer con la cabeza llena de griego o que sostiene discusiones sobre mecánica, parece que no le hace falta más que una buena barba”.

    Lord Byron: “Las mujeres deberían ocuparse en los quehaceres de su casa; se les debería alimentar y vestir bien, pero no mezclarlas en sociedad. También debería instruirlas en religión, pero ignorarlo todo de la poesía y la política; no leer más que libros devotos y de cocina. Música, baile, dibujo y, también un poco de jardineo y algunas faenas del campo de vez en cuando”.

    Schopenhauer: “lo que hace a las mujeres especialmente aptas para cuidarnos y educarnos en la primera infancia es que ellas siguen siendo por siempre pueriles, fútiles y limitadas de inteligencia. Durante toda su vida son como niños grandes, una especia de intermedio entre el niño y el hombre. Pero, ¿qué puede esperarse de las mujeres si se reflexiona que en el mundo entero no ha podido producir este sexo un solo genio verdaderamente grande, ni una obra compleja y original en las bellas artes, ni un solo trabajo de valor duradero, sea en lo que fuere?”

  10. Carles Paul dijo:

    Estas opiniones acerca de las mujeres por gente que podríamos decir culta, nos viene a decir como se consideraba a la mujer en el pasado. Estas opiniones no son solamente particulares, reflejan la opinión general de una época o varias épocas. A la mujer se la consideraba solamente para tener hijos y cuidarlos, sin tener acceso en general a estudios. Puesto que no les permitían estudiar no accedía al conocimiento que luego les recriminaban que no tuviera.
    Resulta curioso pensar que justamente fueron mujeres las que hicieron que nuestra especie hiciera el paso al Neolítico, es decir el descubrimiento de la agricultura. Las mujeres se dedicaban a la recolección de los productos vegetales y los hombres a la caza, es precisamente esta diferenciación en el trabajo la que hace pensar en el papel activo de las mujeres en el desarrollo de nuestra civilización.
    Por desgracia a todo esto solo quedó el papel de esposa y madre, papel muy importante en las sociedades primitivas pues la única fuente de energía para sobrevivir eran los hombre y mujeres adultos.
    Pero el paso a la sociedad moderna no les dio la oportunidad o no se les quiso dar la oportunidad de acceder al conocimiento necesario para defenderse. Opiniones como las que pones dichas por personas de prestigio en su época, dieron la excusa para mantener a la mujer en el anonimato. Cuando Marie Curie consiguió dos premios Nobel y la primera mujer en ser profesora de la Universidad de Paris, consiguió algo mucho más importante, dar a conocer que una mujer puede llegar a ser tan inteligente o más que cualquier hombre.

  11. rodney dijo:

    son de lo peor no sigan asi ahogense

  12. Carles Paul dijo:

    No te preocupes, el gobierno ya lo esta haciendo por nosotros a base de impuestos y otros procedimientos altamente democráticos.

  13. David dijo:

    La relaciòn electromagnetismo espacio!

  14. Anónimo dijo:

    hola

  15. Anónimo dijo:

    Es buena la información🐧😎

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