La Relatividad General cumple 100 años

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El 25 de noviembre de 1915, en plena guerra mundial, Albert Einstein presentó, en una histórica conferencia ante la Academia Prusiana de Ciencias, su Teoría de la Relatividad General, que era una ampliación de la Teoría de la Relatividad Especial o Restringida que él mismo elaboró 10 años antes.

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De la Relatividad Especial a la Relatividad General

La teoría de la relatividad especial postulaba que las leyes de física eran siempre las mismas sea cual sea el sistema de referencia considerado, siempre y cuando éste sea inercial (un sistema de referencia inercial es aquel que se encuentra en reposo respecto a otro sistema de referencia, o bien posee un movimiento rectilíneo uniforme respecto a otro que está en reposo).

Una consecuencia directa de lo anterior, y que Einstein elevaba a la categoría de postulado, era que la velocidad de la luz siempre sería la misma, independientemente del sistema de referencia inercial que se escoja para medirla. Esto coincidía con los experimentos, pero tenía unas implicaciones sorprendentes y nada intuitivas: que un observador en reposo mida la misma velocidad de la luz que otro observador en movimiento, conlleva que las medidas de espacio y tiempo serán diferentes para ambos observadores. El espacio y el tiempo no son absolutos, como se creía hasta entonces (y dictaba el “sentido común”), sino que son relativos al observador.

Einstein intentó extender la validez de las leyes de la física a todos los sistemas de referencia, no sólo a los inerciales sino también a los no inerciales, es decir, aquellos que se mueven con una determinada aceleración. En uno de sus famosos experimentos mentales, Einstein se imaginó a un hombre en caída libre dentro de un ascensor y se dio cuenta de que éste no se daría cuenta de su movimiento, ya que no notaría ninguna fuerza y todo a su alrededor estaría cayendo a la misma velocidad. ¡Un observador en caída libre se encontraría en una situación de “ingravidez”! Además, pensó que un astronauta en una nave acelerada notaría una fuerza que tira de él, igual que nosotros somos capaces de apreciar la atracción de la gravedad. Es decir, ¡la aceleración y la gravedad son equivalentes!

La teoría de la relatividad general es, por tanto, una teoría de la gravitación. Einstein integra el espacio y el tiempo, hasta ese momento considerados independientes, en una única estructura tetradimensional, que se deforma en presencia de una masa. Así, las trayectorias de los cuerpos, por ejemplo de los planetas, son debidas a la “curvatura” del espacio-tiempo; son consecuencia de su deformación geométrica.

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La gravitación universal de Newton era capaz de describir los movimientos planetarios pero no explicaba la naturaleza misma de la gravedad. Einstein ofreció una explicación (la mejor hasta la fecha) de esta fuerza y, además, nos permitió entender la igualdad entre masa inercial (esa masa que se resiste a abandonar el estado de reposo o movimiento uniforme) y masa gravitatoria (esa masa que se ve afectada por un campo gravitatorio):

La masa le dice al espacio cómo curvarse, y el espacio le dice a la masa cómo moverse” (John Wheeler)

Predicciones, pruebas y consecuencias de la Relatividad General

Esta teoría permitía predecir el movimiento de los planetas de una manera más exacta que la teoría de Newton, ya que era capaz de explicar las irregularidades observadas en las órbitas de algunos planetas (el desplazamiento de su perihelio), especialmente apreciable en aquellos más próximos al Sol, como Mercurio.

Otra de sus asombrosas predicciones era que la curvatura del espacio-tiempo también afectaría al movimiento de la luz. Este hecho pudo ser comprobado en 1919, mediante las observaciones que realizó Arthur Eddington durante un eclipse de Sol, con las que, efectivamente, se demostró que esa desviación de la luz se producía. Quedaba inaugurada la cosmología relativista:

REVOLUCIÓN EN CIENCIA.  Nueva teoría del Universo. Ideas newtonianas desbancadas” (The Times. Londres. 7/11/1919)

 

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Noticia publicada en el Illustrated London News el 22 de noviembre de 1919

 

Además, de las ecuaciones de la relatividad se desprende que el Universo no es estático y que, dadas las suposiciones iniciales, éste se encuentra en expansión. Aunque esto no convencía a Einstein (que introdujo arbitrariamente una constante cosmológica en las ecuaciones para contrarrestar esa expansión), fue confirmado por Hubble a finales de los años veinte (lo que obligó a Einstein a retractarse y reconocer que “había sido el mayor error de su carrera”).

¡Pero aún hay más! La teoría de la relatividad general permite entender la teoría del big bang o la formación de estrellas de neutrones (púlsares) y agujeros negros, que parece ser que se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea. Además, predice la existencia de ondas gravitacionales (tan débiles que sólo han sido detectadas de forma indirecta, pero nunca directamente) que se propagan a la velocidad de la luz (¡el efecto de la gravedad no es instantáneo!).

¿Y en nuestro día a día? Evidentemente también: aunque la formulación de Newton nos sirve como aproximación, ¡la gravedad es algo cotidiano! Sin embargo, sin la relatividad, el posicionamiento de los satélites o el funcionamiento del GPS acumularían imprecisiones que, con el tiempo, provocarían errores de varios kilómetros en la determinación de la posición.

Retos actuales: la unificación de las fuerzas

La relatividad especial y la teoría cuántica se pueden integrar en un única teoría, la electrodinámica cuántica. Sin embargo, todos los intentos de incluir también la relatividad general han fracasado. La gravedad se resiste a la unificación.

Las propuestas más destacadas al respecto son:

  • La “teoría” de cuerdas, que parte de la física de partículas, y considera que éstas no son puntuales sino que en realidad se corresponden con determinados estados vibracionales de unas estructuras extendidas denominadas “cuerdas”. Posee una gran complejidad matemática, incorpora múltiples dimensiones, considera universos paralelos y no hace predicciones que puedan verificarse experimentalmente.
  • La “teoría” de bucles o gravedad cuántica de bucles (o lazos), que modifica la relatividad introduciendo nuevas variables, consiguiendo una cuantización de ésta. Sin embargo, no está desarrollada completamente y no incorpora la física de partículas.

¿Qué diremos de esto dentro de otros 100 años?

 

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