Hace exactamente cien años, Albert Einstein presentó la versión correcta de su teoría general de la relatividad. La evidencia de esa teoría se ha acumulado durante el último siglo. Desde eclipses solares hasta relojes atómicos voladores, los científicos hicieron todo lo posible para refutar la teoría de Einstein. Sin éxito.
Un eclipse solar es una visión rara y fantástica, pero el del 29 de mayo de 1919 aumentó la emoción. Especialmente para el científico británico Arthur Eddington. Había ideado un plan para resolver una disputa científica entre dos titanes. No es que Isaac Newton y Albert Einstein realmente estuvieran discutiendo; después de todo, vivieron con siglos de diferencia, pero sus teorías hacían predicciones diferentes sobre la fuerza con la que la gravedad desvía los rayos de luz.
Aunque la teoría general de la relatividad había hecho buenas predicciones sobre extrañas anomalías en la órbita del planeta Mercurio, la teoría estaba lejos de ser aceptada universalmente. Muchos científicos todavía se adhirieron a las leyes de Newton del siglo XVII a este respecto.
Eddington tenía en mente el experimento perfecto. Quería probar cómo el sol, con diferencia el objeto más pesado del sistema solar, desvía la luz de las estrellas del fondo. Las estrellas justo al lado del sol se desplazarían un poco debido a su gravedad. Y dado que la teoría de Einstein predijo un cambio dos veces mayor que el de Newton, una medición precisa sería el factor decisivo.
Un eclipse solar era la oportunidad perfecta:normalmente el brillo del sol hace imposible tal medición. Pero ese problema desaparece en el momento en que la luna pasa frente al sol. Y eso estuvo a punto de suceder el 29 de mayo de 1919.
En su experimento, Eddington quería observar la influencia gravitacional del Sol sobre la luz estelar del brillante cúmulo de estrellas de las Híades. La relatividad general predijo un cambio minúsculo de aproximadamente 1,75 segundos de arco (el grosor de un cabello a casi 40 metros de distancia). Pero las leyes de Newton predijeron un efecto aún menor.
Dos equipos científicos se propusieron ver el eclipse solar. Un equipo fue a Sobral en Brasil, el otro a la isla de Príncipe frente a la costa de África occidental. Al final, las expediciones registraron cambios de 1,6 y casi 2 segundos de arco. Eddington publicó sus resultados el 6 de noviembre de ese año y demostró a muchos científicos que Einstein tenía razón. La noticia incluso apareció en las portadas de los periódicos de todo el mundo. La relatividad general había convertido a Einstein en una celebridad.
La órbita loca de Mercurio
Aunque el eclipse solar de 1919 se considera la primera prueba real de la relatividad general, ya existía un problema más antiguo que Einstein pudo resolver con él. En 1859 el matemático francés Urbain Le Verrier publicó un libro en el que afirmaba que Mercurio no estaba haciendo lo que se suponía que debía hacer según las leyes de la mecánica clásica:orbitar alrededor del sol en una elipse ordenada.
Le Verrier había estudiado los tiempos de los tránsitos de Mercurio (cuando el planeta pasa por delante del Sol) durante los 150 años anteriores y observó que las transiciones comenzaban un poco más rápido de lo esperado. Parte de esta anomalía podría explicarse por perturbaciones gravitacionales de otros planetas, pero al final fue la relatividad general la que encontró una solución completa. Einstein afirmó que debido al espacio curvo cercano al Sol, se producen desviaciones en las órbitas planetarias "clásicas". Esto le permitió explicar en su publicación la desviación de una centésima de grado por siglo.
Calculadora enorme
Pero ¿qué se le ocurrió exactamente a Einstein? Para explicar esto, no podemos evitar una pequeña lección de física. La teoría general de la relatividad, que ahora tiene exactamente cien años de antigüedad, en realidad se basa en la teoría de la relatividad especial de Einstein, diez años más antigua. En él afirmó que realmente no importa qué tan rápido se mueva un observador, las leyes de la naturaleza son siempre las mismas.
A bordo de un tren que viaja casi a la velocidad de la luz, nada es sustancialmente diferente:un reloj avanza (para el observador) con la misma rapidez, una escala indica lo mismo. Eso parece lógico, pero aún más extraño es que la velocidad inquebrantable de la luz sigue siendo la velocidad de la luz, incluso en un vehículo que es casi a la velocidad de la luz. Por lo tanto, la teoría tiene extrañas implicaciones para el tiempo, que avanza más rápido o más lento para observadores a diferentes velocidades.
Con la elegante teoría especial de la relatividad de Einstein, de repente muchas cosas parecieron encajar, pero hubo un problema:acelerada observadores. "De hecho, arruinaron por completo la teoría especial de la relatividad", afirma Gijs Nelemans, astrónomo del departamento de astrofísica de la Universidad Radboud de Nijmegen. Pero Einstein encontró una solución. Se dio cuenta de que la aceleración y la gravedad son muy similares. De hecho, son indistinguibles. Por ejemplo, no puedes determinar si sientes gravedad o aceleración en un ascensor cerrado.
Einstein argumentó que esto tenía consecuencias de gran alcance para la gravedad:no es una fuerza clásica, como la fuerza electromagnética, por ejemplo. Al contrario, es resultado de la distorsión del espacio. Los objetos que normalmente se mueven en línea recta se curvan simplemente siguiendo la curvatura del espacio. La Tierra que realiza un movimiento circular alrededor del Sol es, en opinión de Einstein, un planeta que describe una línea recta en un espacio curvado por el Sol. "Este enfoque permitió que los observadores acelerados también encajaran en la teoría de la relatividad", afirma Nelemans. “Llevó mucho tiempo conseguir que esto fuera matemáticamente correcto sobre el papel. Fue un cálculo enorme”.
Las ondas de Einstein
El propio Nelemans participa en una investigación que probablemente pondrá nuevamente a prueba la relatividad general. Él y sus colegas están buscando ondas gravitacionales. La teoría de Einstein predice que cuando dos objetos extremadamente compactos y pesados (por ejemplo, estrellas de neutrones o agujeros negros) orbitan entre sí, no sólo distorsionan el espacio sino que también crean ondas, las llamadas ondas gravitacionales.
Cuando una onda gravitacional de este tipo pasa por la Tierra (a la velocidad de la luz), la teoría afirma que esto cambia las distancias entre los objetos por un momento, aunque se trata de influencias minúsculas:un metro sólo se convierte en 10 -20 metros más largos o más cortos. Pero ¿cómo se pueden medir esos cambios? “El problema es que una onda así afecta a toda la materia, incluida una 'regla física' con la que se quieren medir los cambios en el espacio”, afirma Nelemans. “¡En realidad no se mide nada en absoluto!”
Esto se puede solucionar usando una regla que no cambie con el espacio:una regla de luz. Esto también es en realidad una "invención" de Einstein. "Su teoría especial de la relatividad afirma que la velocidad de la luz es siempre la misma", afirma Nelemans. "En el momento en que pasa una onda gravitacional, sólo la frecuencia de la luz cambiará durante un tiempo".
Detectores de ondas gravitacionales como LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser están buscando tal cambio). ) en los Estados Unidos y Virgo en Italia. Los detectores constan de brazos perpendiculares de dos kilómetros de largo con potentes láseres que se extinguen exactamente en el centro. En el momento en que la frecuencia de una de esas muestras de láser cambia aunque sea una fracción, puedes notar que en el punto en que los rayos se tocan:ya no se extinguen entre sí por un momento.
Ambos observatorios llevan ya muchos años realizando una campaña de mediciones, en la que no han detectado ni una sola onda gravitacional. Pero los científicos involucrados no se quedarán ahí. “Este año ya se medirá un LIGO mejorado y un año más tarde también estará lista la actualización Virgo”, afirma Nelemans. “En 2019 tienen su máxima sensibilidad. Entonces tendrán que empezar a medir algo, porque es poco probable que necesitemos detectores aún más sensibles”.
Me voy de viaje y me llevo:un reloj atómico
Quizás la implicación más extraña del trabajo de Einstein sea la dilatación del tiempo. ¿Es eso realmente cierto?, debieron preguntarse Joseph Hafele y Richard Keating hace más de cuarenta años. Juntos hicieron el experimento más práctico para la teoría de la relatividad en 1971. En un momento en que la teoría de la relatividad había sido ampliamente aceptada entre los científicos durante mucho tiempo.
Tanto la relatividad especial como la general predicen la llamada dilatación del tiempo. La primera teoría afirma que el tiempo se ralentizará para alguien que viaje a gran velocidad por el universo.
No es que esa persona se dé cuenta de nada:todo y todos a bordo de la nave espacial están sujetos al alargamiento del tiempo. Los relojes a bordo funcionan más lentamente, las computadoras se ralentizan y, como los procesos naturales no pueden escapar a la dilatación del tiempo, la percepción del observador también es más lenta. Según la teoría general de la relatividad, ocurre exactamente lo mismo cuando alguien se encuentra en un fuerte campo gravitacional.
Hafele y Keating querían comprobar ambas teorías con un experimento. Llevarían cuatro relojes atómicos extremadamente precisos en un viaje en avión, dando dos vueltas a la Tierra. Esto ya debería producir una dilatación del tiempo mensurable, debido a la velocidad de los aviones y al hecho de que experimentan una gravedad terrestre ligeramente menor en altitud. Por supuesto, los científicos también dejaron un reloj atómico en su laboratorio en Washington para su verificación. A las 19:30 horas. El 4 de octubre partió el primer envío de relojes atómicos, hacia el este, con la rotación de la Tierra. El doble viaje mundial duró poco más de 65 horas. Poco más de una semana después, el 13 de octubre, se envió el mismo envío de campanas al oeste. En un viaje de más de 80 horas, también dos vueltas al planeta.
Cuando regresaron a Washington, compararon sus relojes atómicos con relojes que quedaron en la Tierra. ¿Y qué resultó? Los relojes que habían viajado hacia el este tenían un retraso promedio de 59 nanosegundos. Los relojes que habían avanzado hacia el oeste estaban adelantados 273 nanosegundos. Fue sólo una milmillonésima de segundo, pero el efecto fue inequívoco y, además, conforme a la teoría. Los relojes más precisos del mundo no avanzaban tan rápido:un impulso para Einstein.
Relatividad a gran escala
Estos experimentos proporcionaron pruebas importantes para las teorías de Einstein, pero también muestran que los efectos relativistas apenas desempeñan un papel en nuestra vida en la Tierra. Sin embargo, si nos fijamos en escalas cósmicas o en objetos extremos, eso cambia. Por ejemplo, si la luz no es desviada por el sol, sino por una galaxia entera, con cientos de miles de millones de estrellas. Eso puede crear un efecto especial:anillos de Einstein.
Cuando dos galaxias se alinean exactamente como se ven desde la Tierra, el objeto principal puede desviar la luz de la galaxia más lejana para que aparezca como un anillo alrededor del objeto principal. Einstein escribió en una publicación de 1936:"Por supuesto, no hay esperanza de que alguna vez observemos directamente este fenómeno". Se demostró que estaba equivocado, porque sólo tuvo en cuenta este efecto en el caso de las estrellas. Pero hoy en día se conocen una docena de anillos (parciales) de Einstein, causados por (cúmulos de) galaxias.
La teoría general de la relatividad también se nota en los "colores" de las galaxias distantes. A medida que la luz pasa de un entorno gravitacional fuerte a un campo gravitacional bajo, la longitud de onda de la luz aumenta. La luz está, por así decirlo, ligeramente desplazada hacia el rojo, de ahí el nombre de corrimiento al rojo gravitacional. Por lo tanto, vemos la luz del centro pesado de los cúmulos de galaxias algo más "roja" que la luz del borde de dichos cúmulos.
GPS inútil sin relatividad
Se podría pensar que la teoría de la relatividad tiene poca utilidad práctica, después de todo, hace predicciones para objetos extremadamente rápidos y pesados.
Sin embargo, hay un sistema que no funcionaría sin tener en cuenta la relatividad:la navegación por satélite como el Sistema de Posicionamiento Global de EE. UU. (GPS).
Este sistema de navegación utiliza relojes atómicos a bordo de satélites que orbitan alrededor de la Tierra a aproximadamente 14.000 km/h a una altitud de unos 20.000 km. Tanto la velocidad como el hecho de que la gravedad de la Tierra se reduce casi a la mitad a esa altitud significan que los relojes a bordo de los satélites serían unos 38 microsegundos por día más rápidos que los relojes de la Tierra. ¡Si los ingenieros no tuvieran esto en cuenta, el sistema generaría un error de posicionamiento de unos 10 kilómetros por día!
La relatividad general ha pasado numerosas pruebas durante los últimos cien años, y una y otra vez Einstein las pasó con gran éxito. Sin embargo, detectores como LIGO y VIRGO están examinando una vez más la teoría. Nelemans dice que probará la teoría en áreas donde nunca se ha probado.
“Básicamente, todas las pruebas hasta la fecha se han realizado con objetos que viajan a menos del uno por ciento de la velocidad de la luz”, afirma. “Einstein dice que se vuelve interesante cuando los objetos se mueven hacia la velocidad de la luz, porque entonces los efectos se vuelven mucho mayores. El verdadero carácter de la teoría de la relatividad se manifiesta en altas energías, que deberíamos poder medir con objetos extremos como estrellas de neutrones que se mueven rápidamente o agujeros negros. Quizás estas mediciones nos den pistas sobre áreas donde la teoría está empezando a desmoronarse”.
