Una idea genial: la teoría de la relatividad general cumple
100 años Por Nora Bär | Albert Einstein.. Foto:
Archivo El 25 de noviembre de 1915, sumido en una
crisis matrimonial y familiar, aguijoneado por una competencia sin respiro con
el matemático alemán David Hilbert, agotado y agobiado por los dolores de
estómago, Albert Einstein finalizó una serie de cuatro conferencias en la
Biblioteca Pública Prusiana, en el corazón de Berlín, con las ecuaciones que
darían forma a la Teoría de la Relatividad General y que desatarían una
revolución en nuestra visión del universo. A casi un siglo de ese día, esta
obra maravillosa de la mente humana, pergeñada mayormente en solitario, fue
probada innumerables veces y, aunque concierne a las vastedades del cosmos,
hasta hizo posibles tecnologías hoy tan rutinarias y terrenales como el GPS y
las transmisiones vía satélite. Según cuenta Walter Isaacson en su monumental
biografía Einstein, su vida y su universo (Random House Mondadori, 2014), Paul
Dirac, premio Nobel y pionero de la mecánica cuántica, la consideró
"probablemente el mayor descubrimiento científico jamás realizado", y
Max Born, otro de los gigantes de la física del siglo XX, "la mayor hazaña
del pensamiento humano en torno de la naturaleza, la
más asombrosa combinación
de penetración filosófica, intuición física y habilidad matemática". El
propio Einstein se ufanaba de que había sido "el descubrimiento más
valioso" de su vida. Su publicación, en apenas cuatro páginas, la convertiría en
la teoría fundamental de la física de las grandes escalas, del mismo modo en
que la mecánica cuántica es la reina del submundo de los átomos. Pero, tal como
destacó recientemente la revista Science en una producción especial dedicada al
tema, lo más desconcertante es que "mientras la mecánica cuántica fue un
logro colectivo -de Bohr, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger, Born, Dirac-, la
relatividad general surgió completamente formada de la mente de una sola
persona: Einstein". "Los cosmólogos la usamos todo el tiempo -dice
Matías Zaldarriaga, uno de los dos profesores argentinos [el otro es Juan
Martín Maldacena] de la Escuela de Ciencias Naturales del Instituto de Estudios
Avanzados de Princeton, precisamente el lugar donde trabajó Einstein cuando se
trasladó a los Estados Unidos, y donde aún se conserva su casa de paredes de
madera, al borde de un serpenteante sendero flanqueado de árboles-. Es lo que
nos permite calcular dónde están los objetos que estudiamos, cuánto más débil
es una fuente de luz si está más lejos... Y hasta ahora funciona muy bien, no
encontramos nada que nos haga pensar que puede fallar." "Ya con la
relatividad especial [formulada diez años antes, en 1905], Einstein había cambiado
paradigmas sobre qué es el tiempo y el espacio -agrega Juan Pablo Paz,
investigador del Conicet y premio Bunge y Born 2010, que investiga en
computación cuántica-. Con la relatividad general terminó planteando que no hay
tiempo absoluto, no hay espacio absoluto, sino que las propiedades del espacio
y del tiempo dependen del contenido de materia del universo." Para
concebir la teoría que pasó a ser el fundamento de la física moderna, el joven
nacido en Alemania, hijo de un empresario poco habilidoso en asuntos
financieros, que adquirió tardíamente el lenguaje y durante su niñez había sido
un chico solitario y reflexivo, se basó en experimentos mentales, tal como lo
había hecho una década antes. "Cuando él publicó la relatividad especial,
se planteaba estrictamente la solución a un problema teórico, ya que no
consideraba seriamente la evidencia experimental existente -explica el físico
Daniel De Florian, investigador del Conicet y de la Facultad de Ciencias
Naturales de la UBA, que integra el equipo argentino que trabaja en el Gran
Acelerador de Hadrones, la gigantesca máquina enterrada bajo la frontera
franco-suiza donde se descubrió el bosón de Higgs-. Desde un comienzo se da
cuenta de que atacar la teoría de la relatividad en general iba a ser muy complicado,
porque entre otras cosas lo que plantea es la existencia de sistemas
inerciales; es decir, aquellos sobre los cuales no se ejerce ninguna fuerza.
Pero estos sistemas no existen en la realidad, porque la gravedad es imposible
de «apagar». Entonces, resuelve no tenerla en cuenta inicialmente y
concentrarse en la cinemática [las leyes del movimiento de los cuerpos]
relativista. Descubre la relación entre energía y masa, y el hecho de que el
tiempo y el espacio se interrelacionan. Allí formula su concepto fundamental de
la relatividad, que es casi contradictorio con el nombre de la teoría: que
todas las leyes de la física en todos los sistemas inerciales tienen que ser
idénticas. O sea, si uno escribe las leyes de la física en un sistema, o en
otro de otro observador, tiene que escribir exactamente las mismas ecuaciones.
Se llama «relatividad» porque lo que él explica es cómo transformar la
información cinemática de un sistema a otro." El brote de creatividad de Einstein de 1905
fue asombroso. En tres artículos brillantes, planteó la hipótesis de que la luz
está hecha de partículas (fotones) aunque en ese momento se la concebía como un
fenómeno ondulatorio, contribuyó a probar la existencia de los átomos, explicó
el movimiento browniano (el que se observa en algunas partículas microscópicas
cuando están en un medio fluido), revolucionó el concepto de espacio y tiempo,
y descubrió la que se convertiría en la ecuación más famosa de la historia:
E=mc2, la energía es equivalente a la masa multiplicada por la velocidad de la
luz al cuadrado.
Pero dos años más tarde, en noviembre de 1907, tuvo otra
epifanía deslumbrante: "Estaba sentado en una silla en la oficina de
patentes de Berna cuando de repente se me ocurrió una idea -reproduce
Isaacson-. Si una persona cae libremente, no sentirá su propio peso". En
otras palabras, lo que se le ocurrió a Einstein fue que no se puede distinguir
experimentalmente si un cuerpo está acelerado uniformemente o si está sometido
a la atracción de un campo gravitatorio. Más tarde calificaría este
descubrimiento que lo sobresaltó como "la idea más feliz" de su vida.
La teoría de la relatividad especial describe bien el movimiento de los
cuerpos, pero sólo a velocidades constantes, y en un espacio plano y con una
dimensión temporal. Sin embargo, en el universo todos los cuerpos están
acelerados por la gravedad. Einstein se dio cuenta de que era necesario
resolver los vacíos que había dejado la teoría de Newton. "En la
relatividad general-dice Paz-, él analiza qué pasa cuando un sistema acelera
respecto del otro y generaliza el principio de equivalencia diciendo que en
realidad nunca voy a poder distinguir si estoy sometido a la acción de la
gravedad de algún cuerpo que está en mi vecindad o en un sistema que se está
acelerando respecto de otro." "En las teorías de Newton no hay ningún
lugar donde se diga que la gravedad tarda un tiempo en ejercerse. Esto
permitiría teóricamente transmitir información a velocidad infinita..., no
podía ser -ilustra De Florian, que trabajó dos años y medio en el mismo
instituto en el que se formó Einstein, el Politécnico de Zurich-. Cuando se
planteó el problema de entender la gravedad, dio muchos pasos en falso, entre
otras cosas, porque no conocía bien la matemática que necesitaba. Su gran
hallazgo fue entender la gravedad no como una fuerza que se ejerce a velocidad
infinita, como planteó Newton, sino como una deformación del espacio-tiempo. Es
un concepto netamente geométrico. Algo totalmente contraintuitivo, pero
funciona. Marca un quiebre fundamental entre la física clásica y la
moderna." "La idea de que hay una acción a distancia o una
velocidad infinita de la propagación de la información no tiene sentido en la
física, porque se violaría totalmente la noción de causalidad -agrega Paz-. Lo
que propuso Einstein fue formular una teoría del campo gravitatorio relacionada
con la geometría del espacio tiempo. Así, la materia y la energía, que generan
lo que llamamos una fuerza de gravedad, en realidad lo que están haciendo es
distorsionar el espacio y el tiempo a su alrededor de manera tal que los
objetos que están alrededor se desplazan de forma diferente. La filosofía de la
teoría de la relatividad general es que los objetos les dicen al espacio y al
tiempo cómo curvarse, y la geometría del espacio y el tiempo les dicen a los
objetos cómo moverse." Pocas teorías fueron tan probadas como la de la
relatividad. "Gracias a la relatividad general, las órbitas de todos los
planetas del sistema solar y de la Luna fueron medidas con una precisión tal
que en cada momento sabemos dónde están con un error de menos de un
centímetro", cuenta Zaldarriaga. Ya en 1915, Einstein pudo explicar
gracias a sus hallazgos un enigma de décadas concerniente a la órbita de
Mercurio. De acuerdo con la gravedad newtoniana, un planeta aislado seguiría
exactamente el mismo camino elíptico en cada órbita alrededor de su estrella:
sólo la influencia de planetas vecinos haría que la elipse gradualmente se
desviara. Sin embargo, Mercurio no estaba cumpliendo estrictamente con esas predicciones.
Para explicarlo se adujo que había un planeta entre Mercurio y el Sol, o que
bandas de polvo estaban introduciendo distorsiones. Pero mientras daba sus
conferencias de Berlín, Einstein finalmente encontró la solución aplicando los
postulados de la relatividad general. Otra de las predicciones de su teoría era
que la gravedad del sol desviaría la luz cercana. En agosto de 1914 el
astrónomo alemán Erwin Freundlich condujo una expedición a Crimea para tomar
medidas durante un eclipse solar total. Pero antes del eclipse estalló la
Primera Guerra Mundial, las tropas rusas capturaron el equipamiento y
detuvieron a los científicos. Fue necesario esperar cinco años a que terminara
la guerra para que el astrónomo británico Arthur Eddington hiciera el mismo
experimento en la isla Príncipe. Objetor de conciencia, Eddington casi había
caído en prisión por rehusarse a hacer la conscripción, pero Frank Dyson,
astrónomo real en ese momento, pudo obtener una excepción con la condición de
que él mismo participara de la expedición. La medición, que se hizo en 1919,
volvió a darle la razón a Einstein. Entre las historias curiosas vinculadas con
la verificación de la teoría de la relatividad general incluidas en la
producción de Science figura la del joven físico indio Subrahmanyan
Chandrasekhar, conocido como Chandra, que sostuvo una disputa prolongada con
Eddington acerca del destino de las estrellas viejas. Este último pensaba que
después de que las estrellas consumían su combustible nuclear, se convertían en
"enanas blancas" increíblemente densas. Pero a partir de las
ecuaciones de la relatividad general y la mecánica cuántica, Chandra calculó
que las estrellas muy masivas eran inestables y colapsarían al final de sus
vidas produciendo agujeros negros, una región del espacio cuyo campo
gravitatorio es tan intenso que ni siquiera la luz puede escapar. En 1935,
Chandra, que en ese momento estaba en la Universidad de Cambridge, presentó sus
conclusiones en una reunión de la Sociedad Real de Astronomía en Londres.
Eddington lo refutó diciendo
que los agujeros negros eran rarezas matemáticas
que no podrían existir en situaciones de la vida real. "Pienso que debería
haber una ley de la naturaleza que evite que una estrella se comporte de esta
forma absurda", afirmó. Hoy, el producto de uno de los frenesís de
creatividad científica más intensos de la historia impulsa la búsqueda de ondas
gravitatorias, la exploración de la gravedad extrema cerca de agujeros negros
supermasivos, como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia, o la
búsqueda del origen del universo. "Su propio planteo teórico lo superó
ampliamente -dice Zaldarriaga-. En la teoría «viven» muchas cosas que Einstein
no encontró y fueron descubiertas por otros. Con el paso de las décadas,
predicciones muy raras, como los agujeros negros, fueron verificadas en el
centro de nuestra galaxia. Lo interesante es que podemos ver que esos agujeros
negros están ahí, pero nunca vimos algo caerse en un agujero negro de modo que
podamos chequear en detalle si las predicciones se cumplen. (...) Algo similar
ocurrió cuando introdujo la «constante cosmológica» [una modificación de su
ecuación original para conseguir una solución que diera un universo estático].
Él quería un universo eterno, entonces pensó en introducir un término para
contrarrestar la fuerza de gravedad con una fuerza repulsiva que la equilibra
para que el universo ni se expanda ni se contraiga. Einstein pensó que ése
había sido su mayor error, pero ahora la usamos para que el universo se
acelere. Aunque buscamos problemas en la relatividad general y ya es un campo
en sí mismo, hasta ahora, después de cien años, no hemos podido encontrar
ninguno."
"Todo lo que hizo Einstein está en contra de nuestras
percepciones cotidianas -concluye De Florian-. Lo cual no es sorprendente,
porque se aplica a sistemas con los cuales no interactuamos, muy rápidos para
la relatividad o infinitamente pequeños para la cuántica. Nos cuesta muchísimo
imaginarlos. Somos gente clásica, vivimos en la física clásica... salvo cuando
tenemos que usar el celular." TOMADO DE LA NACION DE AR
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