FÍSICA. Aniversario de la Teoría Relatividad General de Einstein

La llegada de Einstein al mundo de la física comenzó dando pie al inicio de la famosa mecánica cuántica con la postulación de los fotones, pequeños “átomos” de luz con una energía bien definida que explicaban el efecto fotoeléctrico. Sin embargo fue la Relatividad General terminada en 1915 pero publicada el 20 de Marzo de 1916, que tenía como antecedente la relatividad especial de 1905, la cual cambió por completo no sólo la concepción de la gravedad sino de todo el universo.

Para 1915, diez años después de sus primeros trabajos, Einstein expande su teoría de la relatividad especial y añade la gravedad en su reformulada teoría de la relatividad General. Esta teoría era mucho más compleja que la primera ya que requería de matemáticas muy avanzadas para su época y conste de los siguientes postulados:

1. La gravedad no es una fuerza sino una deformación del Espacio-Tiempo producto de la Materia-Energía.

1. Establece el Principio de Equivalencia entre campos gravitacionales y sistemas no inerciales o acelerados.

1. Se mantienen los dos postulados de la Relatividad Especial.

Parra demostrar la validez de su teoría tienen que pasar algunos años y es durante el eclipse de 1919 cuando Einstein se une a la expedición de Sir Arthur Eddington a la isla Príncipe en África para fotografiar las estrellas del fondo durante el eclipse y mostrar la curvatura de la luz en presencia de un objeto masivo, en este caso, el Sol. Este evento hizo que Einstein se convirtiera en toda una celebridad.

Además de ello, logró explicar la presesión de Mercurio, un fenómeno que las leyes de Newton no habían podido explicar hasta el momento.

1929 la expansión del universo y el error más grande de Einstein

Una cuestión interesante fue que Einstein aplicó sus fórmulas para analizar como el contenido de materia-energía del mismo afectaba su forma y descubrió que el universo no podía ser estático e inmutable, concepción bastante arraigada para su época, así que para que su teoría encajara con la concepción cosmológica decide introducir a sus ecuaciones de campo la famosa constante cosmológica Lambda. Dichas ecuaciones, expresadas en términos de tensores, representan diez y seis ecuaciones diferenciales parciales acopladas que se pueden simplificar considerando simetrías.

Sin embargo, al llegar a la década de los 20´s aparece en escena Edwin Hubble, quien al efectuar estudios sobre galaxias y analizando el espectro electromagnético de las mismas descubre el corrimiento al rojo evidenciando posteriormente que esto implicaba que se alejaban unas de otras a una velocidad que era proporcional a la distancia entre ellas, la famosa ley de Hubble. Con esto el universo había dejado de ser estático e inmutable y por el contrario se encontraba en expansión. Cuando Einstein se entera de los descubrimientos de Hubble, declara textualmente que la constante cosmológica había sido el error más grande de su vida.

Con un poco de sentido común, si todas las galaxias se alejaban unas de otras esto implicaba que en un pasado estuvieron más y más cerca entre si, dando pie al origen de la Teoría del Big Bang o la gran explosión la cual es una de las teorías sobre el origen del universo más aceptadas por la comunidad científica hasta el momento. Dicha teoría establece básicamente que toda la materia y energía, así como el espacio y el tiempo del universo estuvieron en un principio, hace aproximadamente 14 mil millones de años, unidos en un punto sin dimensiones con densidad y temperatura infinitas hasta que estalló originando todo lo que conocemos.

Esta nueva concepción cosmológica del universo fue explicada bastante bien por las ecuaciones de Einstein y se desarrolla la astrofísica del momento. El universo tiene un inicio y con él hay muchas más preguntas, tanto científicas como filosóficas, que respuestas.

¿Cuál es el legado de la Relatividad General a 104 años de su publicación?

Comenzando con una nueva concepción acerca del universo, la Relatividad general ha abierto la puerta a grandes avances tecnológicos que sin su conocimiento no habrían podido ser desarrollados. Tal es el caso del GPS con los cuales se ha confirmado la dilatación del tiempo en presencia de campos gravitacionales, donde básicamente la gravedad deforma el tejido del espacio-tiempo ocasionando que los relojes de los cuerpos avancen más lentamente en presencia de la gravedad que sin ella, es decir, en presencia de materia o energía. Si los conocimientos de relatividad general no estuvieran aplicados a estos aparatos, se tendría un error bastante considerable al momento de geolocalizar en tiempo real a una persona. Nadie quiere utilizar un GPS y perderse en el camino.

Otra de las cuestiones interesantes es que al igual que la luz de las estrellas se curvó durante el eclipse de 1919, este fenómeno se presenta en todas partes del universo, siempre y cuando veamos objetos que están del otro lado de un cuerpo hipermasivo. Este es el caso de las lentes gravitacionales que nos brindan magníficas imágenes de galaxias curveadas por el espacio-tiempo deformado.

Por otro lado, cuando en 1916 Karl Schwarzschild, un matemático alemán, calculó con las ecuaciones de relatividad general la velocidad de escape mínima para salir de un campo gravitacional pudo predecir la velocidad de escape de la tierra para ir a la Luna. Cuando analizó el incremento de masa dedujo de inmediato que se alcanzaría un límite donde ni siquiera la velocidad de la luz escaparía, a esto se le conoció como agujero negro, un objeto tan masivo que curvaría la luz en una singularidad de densidad infinita. Actualmente al radio mínimo para escape de un objeto con estas características se le conoce como radio de Schwarzschild.

El fenómeno de lo que ocurre en la cercanía de un agujero de este tipo y las consecuencias espaciotemporales del mismo se ven reflejadas en la famosa película Interestellar donde se ubica un planeta tan cerca de un agujero negro que una hora en su superficie equivale a 7 años fuera del alcance de su deformación del espacio-tiempo.

Actualmente los modelos cosmológicos para describir el origen y evolución del universo tienen como base las ecuaciones de Relatividad General de Einstein donde descubrieron que al final no se equivocó al introducir la constante cosmológica Lambda ya que en décadas pasadas se encontró que el universo se encuentra en una fase de expansión acelerada, es decir, que no hay suficiente materia para que la expansión del universo se frene debido a la gravedad y recolapse sobe sí mismo. Por el contrario, el universo parece acelerar su expansión de tal manera que la famosa constante cosmológica, también conocida como Energía Oscura viene a ser la causante de dicha aceleración. Dicho modelo se conoce como LCDM o Lambda Cold Dark Matter por sus siglas en inglés donde entra en escena la famosa constante cosmológica así como Materia Oscura fría, una materia hipotética todavía invisible que explica la rotación de las galaxias.

Aunque la naturaleza y composición de dicha energía o constante cosmológica es aún desconocida e indetectable, representa según las observaciones, cerca del 70% de la composición actual del universo mientras que la Materia Oscura, representa cerca del 24% mientras que la luz y la materia que observamos a nuestro alrededor (estrellas, planetas, galaxias, polvo interestelar) es aproximadamente el 4%.

El universo que se encuentra a nuestro alrededor, todo aquello que podemos ver, así como lo que no por su composición o lejanía, tuvo un inicio hace aproximadamente 14 mil millones de años y es gracias a Einstein y la Relatividad General que cientos de cosmólogos actualmente estudian el origen y el destino del sitio que todos habitamos, el cosmos. Este es quizás el más grande legado de Einstein para el mundo, explicada con una de las teorías más bellas y demostradas de la historia, la Relatividad General.