Celebrando cien años de relatividad general

En respuesta a esta convocatoria


Albert Einstein en 1921

El 25 de noviembre de 1915 un por aquel entonces ya reconocido Albert Einstein envió para su publicación un artículo que sería la señal de partida de una de las teorías más exitosas y bellas de la historia de la física: la Relatividad General (RG, desde ahora).1

El bueno de Albert no podía saberlo, pero desde entonces su teoría ha movido millardos de euros/dólares/$$$ ya que no solo le ha permitido a Christopher Nolan y a Kip Thorne hablar de agujeros de gusanos y agujeros negros supermasivos: sin la RG la red GPS de nada serviría. En efecto, los satélites se mueven tan rápido y necesitan tales niveles de precisión al medir el tiempo que sin las correcciones por dilatación temporal ofrecidas por la RG darían coordenadas completamente equivocadas.

Y después vienen los políticos a decidir qué tipo de investigación tiene mayor «impacto económico en la sociedad»… en fin, mejor dejémoslo ahí.

Pero en este artículo no hablaré sobre cómo funciona la RG ya que otra gente lo ha hecho mejor de lo que yo podría (enlace al final del artículo), solo hablaré sobre sus orígenes y para eso tendremos que retroceder un par de siglos…

Grandes unificaciones 1: la mecánica de Newton

Retrato de Isaac Newton

Muchos dicen que Isaac Newton fue el más grande físico de la historia y posiblemente sea cierto: creó la Mecánica, estudió la luz, descubrió la ley de la gravitación universal, inventó el cálculo diferencial… y entonces cumplió 26 años. Si hasta se le puede perdonar el mal carácter que tenía y sus excentricidades.

Supongo que tendrás, lector, algún recuerdo (no digo placentero, pero al menos un recuerdo) de tus épocas de escuela donde «fuerza igual a masa por aceleración» solía ser un latiguillo repetido de las clases de física junto a la «ley de gravitación universal» y demás bellezas. Pues bien, todo eso y mucho más es lo que se conoce como «Mecánica» (así, con mayúscula) y por casi dos siglos reinó sin discusiones en todo intento de comprender la naturaleza. ¿Nuevo problema que necesita ser comprendido? Pues apliquemos la Mecánica que la cuenta podrá ser difícil, pero tiene que funcionar.

Un ejemplo: un tal Ole Christensen Rømer estaba midiendo el movimiento de las lunas de Júpiter y vio que los datos que obtenía no correspondían con lo que indicaba la gravedad newtoniana, ¿estaría mal la fórmula de Newton? ¡Herejía! ¡Lo que pasa es que la velocidad de la luz (generalmente indicada por la letra c) es grande pero no infinita!

Y resultó ser que Rømer tenía razón, por lo que insistiendo en la validez de la Mecánica fue el primero en lograr una estimación razonable de c.

Otros después de él no tendrían tanta suerte.

Grandes unificaciones 2: Maxwell

James Clerk Maxwell

Desde la antigüedad ya se sabía que frotando cosas estas podían «cargarse» (de hecho, la palabra «electrón» proviene de la palabra griega para «ámbar») y que ciertas piedras podían atraer el hierro y otros metales, además de interaccionar entre ellas de formas extrañas (orientadas de una forma se atraían, de otra se alejaban).

Desde los griegos clásicos hasta Maxwell se dio una historia compleja y llena de sorpresas, frustraciones, genialidad y mucho trabajo, es decir, una historia llena de ciencia donde mucha gente dio su contribución: Coulomb, Ampere, Faraday, Volta… la lista es grande y daría para una enciclopedia, por lo que vayamos a los resultados. Las ecuaciones de Maxwell dan finalmente un marco matemático a todo eso de la electricidad y el magnetismo, a la genial idea de Faraday de la existencia de «campos» para explicar las interacciones eléctricas y magnéticas y de yapa nos regalan un concepto maravilloso: una carga eléctrica que oscila genera «ondas electromagnéticas» que se desplazan por el espacio a la velocidad de la luz, que tienen todas las propiedades de la luz y que son luz.

Intentando la tercer unificación

Y entonces surgió un problema. La teoría física dominante era la mecánica de Newton y aquí llegó Maxwell mostrando una ecuación de ondas para la luz que hablaba de oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos. Entonces todos dijeron algo que era de lo más lógico dado lo que se sabía en el momento: si tenemos ondas, hay que aplicar la mecánica. El problema está en a qué se aplica la mecánica.

Y es que cuando tiramos una piedra a un lago vemos la superficie del agua que oscila. Cuando hay un sonido nuestros ojos no pueden ver lo que pasa pero es posible darse cuenta de que hay una oscilación de la densidad de aire que es detectada por nuestros oídos. Cuando pulsamos una cuerda no solo sentimos el sonido, también la vemos vibrar. Cuando tenemos una onda mecánica parece ser que siempre hay algo que oscila. El problema es que las ecuaciones de Maxwell no dicen qué está oscilando. Bueno, sí lo dicen: el que oscila es el campo electromagnético, ¿pero qué es ese campo? Cuando oscila la superficie del lago lo que cambia es su altura, en el sonido es la presión del aire… siempre tenemos un medio donde estas oscilaciones ocurren.

El «éter luminífero»

Era natural entonces que los primeros tiros apuntaran hacia allí: la hipótesis de la existencia de un medio que llenaba todo el espacio para permitir a los campos electromagnéticos propagarse por todo el universo como oscilaciones de ese medio, el «éter luminífero».

La Mecánica se basa en el principio de relatividad de Galileo, donde si tu caminas a 3 km/h dentro de un tren que se mueve a 100 km/h, si vas hacia adelante alguien en el andén dirá que te mueves a 103 km/h mientras que si vas hacia atrás, pues a 97 km/h, lo cual parece bastante obvio si piensas que el tiempo es el mismo para todos los observadores y el espacio es algo que no cambia.

Pero si esto así fuera y la luz tuviera que moverse en un medio, pues que ese medio sería «el andén» y la Tierra «el tren», por lo que en principio tendría que observarse una diferencia en la velocidad de la luz que va «hacia adelante» y aquella que va «hacia atrás», ¿verdad?

Pues va a ser que no.

Los experimentos

Y bueno, bajo la influencia de este paradigma de la Mecánica la gente se lanzó a tratar de medir la velocidad de la luz de todas las formas posibles para deducir, de las variaciones de su valor, cuál era la velocidad de la Tierra respecto del éter.

El problema fue que el resultado siempre era el mismo: CERO.

Lo peor de todo es que por un tiempo siempre venía alguien y encontraba una «explicación» (vamos, un parche), para justificar el resultado… y no hablamos de cualquiera, sino de gente del calibre de Lorentz. Y todo esto siguió así hasta el experimento de Michelson-Morley, que está tan bien hecho que nadie podía encontrarle el agujero (intentos hubo, para qué negarlo).

La genialidad 1

Albert Einstein en 1904

A veces se necesita un genio para ver lo evidente. En 1905 ese genio fue un por ese entonces desconocido Albert Einstein que, mientras trabajaba en una oficina de patentes suiza (no consiguió trabajo en la universidad) revolucionó la física explicando el efecto fotoelétrico (ayudando de paso al nacimiento de la mecánica cuántica), escribiendo sobre estadística y modelo atómico (movimiento browniano) y creando la relatividad especial. Y es en este último punto donde Albert dice, muchachos, si todos los experimentos contradicen la teoría es porque la teoría está mal: partamos desde el hecho confirmado de que la velocidad de la luz es siempre la misma no importa cómo la midamos y veamos a donde nos lleva esto.

Y así se llegó a la relatividad especial donde tiempo y espacio son inseparables, donde E = mc2, las velocidades no se suman en forma tan simple, etcétera.

1905 fue el «año milagroso» de Einstein:

Un problema quedaba

La relatividad especial reescribía la Mecánica, pero con dos limitaciones: por una parte la gravedad quedaba fuera, por otra el elemento central de la Mecánica de Newton, la idea de que los sistemas de referencia inerciales eran privilegiados, seguía en pie.

Y aquí es donde detendré mi ya dilatado discurso: no solo el trabajo de Einstein en la década que separa 1905 de 1915 fue enorme, complejo y magnífico, un ejemplo de cómo funciona realmente la ciencia, sino que el autor del blog «cuentos cuánticos» ya ha contado en detalle de qué va esto de la relatividad general por lo que recomiendo al lector sumergirse en uno de sus ya clásicos «minicursos», que no tiene desperdicio:

Cuentos Cuánticos: Relatividad General – 100 años

Allí el lector encontrará cuál fue la segunda genialidad de Einstein. Digo, la segunda en este tema, que genialidades en otros temas tuvo y muchas.


1 Es posible acceder a digitalizaciones de las publicaciones de Einstein desde este enlace.

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