12/11/2019
Ciencia

100 años de la relatividad

La teoría formulada públicamente por Einstein el 25 de noviembre de 1915 permitió estudiar el universo como un todo. Fue comprobada en un eclipse de Sol en 1919 por Eddington y convirtió al físico en una celebridad mundial

Toni Pou - 20/11/2015
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100 años de la relatividad
AFP / GETTY IMAGES
El 29 de mayo de 1919 se produjo uno de los eclipses de Sol más famosos de la historia. Su fama no se debe a ningún anuncio del fin del mundo ni a ningún advenimiento célebre, sino al viaje que, para observar el fenómeno, realizó el astrónomo inglés sir Arthur Eddington hasta la isla de Príncipe, situada 250 kilómetros al oeste de Guinea Ecuatorial. Acompañado por un equipo científico, Eddington, además de librarse del servicio militar, pretendía observar estrellas cuya luz pasara cerca del Sol. Este tipo de observación solo es posible durante los eclipses, ya que la intensidad luminosa del Sol impide que se puedan detectar en otros momentos.

Una vez en la isla, la expedición se encontró con un temporal tras otro y se tuvieron que construir fundas impermeables para los telescopios y las cámaras fotográficas. La agresividad de los mosquitos y otros insectos obligó a los científicos a tomar quinina continuamente y a trabajar envueltos en mosquiteras. Para colmo, durante la noche grupos de monos salían de la jungla, se encaramaban a los telescopios, los desmontaban y los tiraban al suelo. En estas condiciones llegó el día del eclipse. Aunque la lluvia cesó, el cielo estaba encapotado y apenas se veía el Sol. En los breves instantes en los que se abrieron las nubes, Eddington tomó 16 imágenes. Al cabo de una semana había conseguido revelar 12 de ellas, pero solo dos, aunque borrosas, eran utilizables. Las otras no mostraban ninguna estrella. Eddington realizó entonces una serie de cálculos que han pasado a la historia como la primera prueba experimental de la teoría de la relatividad general, formulada públicamente por Albert Einstein el 25 de noviembre de 1915.

Hace exactamente 100 años Einstein interpretó la gravedad como una deformación del espacio. Según su teoría, una estrella como el Sol, por efecto de su masa, genera en el espacio una deformación parecida a la que una pelota de baloncesto produce en una sábana tendida horizontalmente. Cualquier planeta, asteroide o cometa que circule por las proximidades de la estrella notará esa deformación del espacio y se desviará. Y lo mismo le sucedería a un rayo de luz.
 
Esta última predicción es la que se pretendía comprobar en la isla de Príncipe. En una de las imágenes utilizables, Eddington midió una desviación de la luz de las estrellas de 1,6 segundos de arco, frente a los 1,75 que predecía la teoría. Teniendo en cuenta las condiciones en las que se realizaron las medidas y que estos valores equivalen al ángulo bajo el que se vería una moneda pequeña a un kilómetro de distancia, la dificultad de la empresa queda fuera de toda sospecha. Lo que alberga dudas es, sin embargo, la fiabilidad del resultado obtenido por Eddington, según el cual quedaba probada la teoría.

La relatividad general ha proporcionado la comprensión más profunda que se tiene de la gravedad


Einstein recibió la noticia mientras atendía las consultas de un estudiante en su despacho. Un alterado y sudoroso empleado de Western Union irrumpió en la habitación y anunció un telegrama urgente. Einstein leyó el mensaje, lo guardó en su escritorio y pidió disculpas a su interlocutor por la interrupción. El estudiante, consciente de la situación, preguntó por el contenido del telegrama. Einstein, distraído, respondió que simplemente le acababan de confirmar que la teoría de la relatividad general era correcta. Asombrado ante la impasividad de su profesor, el estudiante preguntó cómo hubiera reaccionado si le hubieran anunciado lo contrario. Einstein respondió que le hubiera sabido mal por el buen Dios, puesto que la teoría era correcta. Estaba convencido desde hacía tiempo de que estaba en lo cierto, no solo por algunos cálculos que había realizado, sino por una de aquellas intuiciones que, en este caso amparándose en la belleza y elegancia de la teoría, hacen de la ciencia algo más que una actividad fría y meramente racional.

En noviembre de 1919 la noticia apareció en los principales periódicos del mundo. La vida de Einstein había dejado de ser la de un profesor de física para convertirse en la de una celebridad mundial.

Visiones científicas

Diez años antes de publicar la relatividad general, en 1905, Einstein ya había sorprendido al mundo con una serie de artículos revolucionarios. En uno de ellos, partió de un hecho bien cotidiano: cuando nos encontramos de noche en un vagón de tren que abandona una estación a velocidad constante y nos cruzamos con otro convoy, no tenemos manera de saber cuál de los dos se está moviendo. El desarrollo de esta idea tan simple dio lugar a la sorprendente teoría de la relatividad especial, que hizo saltar por los aires los antiguos conceptos de espacio y tiempo. Antes, el tiempo y el espacio se consideraban el escenario inmutable en el que sucedían las cosas. Según Einstein y tal como demuestran los experimentos, cuando uno se mueve el espacio se contrae y el tiempo se dilata, es decir, los objetos se acortan y los relojes se retrasan.

En la autobiografía que escribió al final de su vida, Einstein confesó que el germen de la relatividad especial se encontraba ya en una visión que tuvo de adolescente en la que se vio corriendo a lo largo de un haz de luz. Esta anécdota, reconocida tardíamente y con cierta vergüenza, no hace más que reforzar la idea de que la ciencia no es una actividad tan racional como nos han enseñado. La ciencia establece unos mecanismos racionales de comprobación experimental para validar las ideas con las que explicamos los fenómenos naturales. El famoso método científico, sin embargo, no dice nada acerca del origen de estas ideas. Gran parte de las ideas con las que los científicos han explicado el mundo procede del mismo lugar de donde surgen los cuadros, las sinfonías y los poemas.

Los ascensores y la relatividad 

Teniendo esto en cuenta, es difícil imaginar lo que pasa por la cabeza de un científico cuando piensa sobre la naturaleza, pero lo que está claro es que en muchos casos no hay una maraña de fórmulas indescifrables sino más bien imágenes.
 
Imágenes como la que Einstein tenía en la cabeza cuando, después de reflexionar sobre el movimiento constante y construir la relatividad especial, se puso a hacerlo sobre el movimiento acelerado. Se percató de que si uno se quedaba encerrado en un ascensor no tenía manera de saber si se encontraba dentro de un edificio situado en el planeta Tierra, que atrae a todos los objetos que lo rodean mediante la fuerza de la gravedad, o en medio del espacio vacío y el ascensor estaba siendo empujado por un superhéroe en sentido contrario con la misma aceleración de la gravedad terrestre. Esta idea aparentemente disparatada permite concluir que no es posible distinguir un campo gravitatorio de un movimiento acelerado en sentido contrario, lo que se conoce como principio de equivalencia y del cual Einstein dijo que había sido el pensamiento más lúcido de su vida.

El desarrollo de esta idea culminó ocho años más tarde, el 25 de noviembre de 1915, en la teoría de la relatividad general, una teoría de gran elegancia que ha proporcionado la comprensión más profunda que se tiene de la gravedad. Cuando, en 1905, Einstein presentó la relatividad especial, se basó en ecuaciones e ideas que ya se conocían. La relatividad general, sin embargo, salió por

completo de su genio. Se trata, por tanto, de una obra del pensamiento puro que, además, nos dice cómo es el mundo. Pero Einstein no la desarrolló para sustituir la teoría de la gravedad de Newton, que funcionaba muy bien salvo en algunos detalles, sino que lo hizo con el objetivo puramente intelectual de comprender mejor el movimiento acelerado. Nadie dudaba por aquel entonces de que la teoría de Newton fuera correcta. Se consideraba que no sería complicado encontrar una solución para las observaciones que la teoría no era capaz de predecir con suficiente precisión. Una de las que no cuadraba con la teoría de Newton era que el punto de máximo acercamiento de Mercurio al Sol no caía siempre en el mismo punto del espacio. Mientras construía la relatividad general, Einstein calculó la órbita de Mercurio y obtuvo exactamente el resultado que habían observado los astrónomos.
 
Esta comprobación indicó a Einstein que estaba en lo cierto, pero para validar la teoría con todas las de la ley era necesaria una predicción sobre un experimento futuro. Einstein fue entonces capaz de hacerel pronóstico que Eddington pudo comprobar, aunque dudosamente, durante el eclipse total de Sol el 29 de mayo de 1919.

Agujeros negros

Durante los 100 años que han pasado desde que se presentó la relatividad general, se han llevado a cabo numerosas observaciones que confirman con una precisión altísima sus predicciones. Una de las más inesperadas la obtuvo en 1916 el físico alemán Karl Schwarzschild desde el frente ruso, donde se encargaba de calcular trayectorias de proyectiles. Schwarzschild estudió una estrella esférica y encontró la primera solución exacta a las ecuaciones de Einstein. Esta encerraba la posibilidad de que toda la masa de la estrella se comprimiera en un espacio muy reducido impidiendo que nada, ni tan siquiera la luz, escapara a su atracción gravitatoria.
 
Aunque Einstein se rindió ante la elegancia de la solución, nunca creyó que tales objetos pudieran existir. Hoy se sabe que aquellos objetos que imaginara Schwarzschild en el frente ruso, conocidos como agujeros negros, existen. Y aunque siguen siendo misteriosos y todavía provocan dolores de cabeza a los físicos, se sabe también que la mayoría de las galaxias conocidas, incluida la Vía Láctea, tiene uno en su centro.

Nacimiento de la cosmología

La relatividad general permitió también hacer algo que nunca se había podido hacer: estudiar el universo como un todo. Así nació la cosmología, gracias a la cual se sabe que estamos en un universo que nació en una especie de gran explosión hace unos 13.800 millones de años. Hoy, contrariamente a lo que pensaba Einstein, que creía en un universo estático, sabemos que se expande y que además lo hace cada vez más rápido. Las razones por las que esta expansión se acelera son un auténtico misterio.

Parte de las ideas con las que los científicos han explicado el mundo se origina de manera similar al arte

 
Si el universo está hecho de la materia que conocemos, la expansión debería ralentizarse como consecuencia de la gravedad. Puesto que esto no es lo que se observa, los cosmólogos han llegado a la conclusión de que únicamente el 5% del Universo está hecho de materia como la que conocemos. El resto, el 95% del Universo, es un completo desconocido y representa uno de los enigmas más apasionantes que la ciencia tiene por delante.

Ondas gravitatorias

Según la relatividad general, cualquier objeto que se mueva, y en particular los cataclismos cósmicos como la colisión de dos agujeros negros, producen una deformación en el espacio que se propaga. Este fenómeno se conoce como onda gravitatoria. Aunque no se ha detectado ninguna, hay evidencias de su existencia y en algunos laboratorios ya se trabaja para detectarlas. Sin embargo, la dificultad para lograrlo es enorme: los detectores tienen que distinguir variaciones del orden de 10-20 en una longitud de un metro, es decir, se trata de variaciones de la cienmilésima parte del tamaño de un protón.

Según los expertos, en pocos años se alcanzará esta precisión inaudita. Si algún día se consiguen detectar ondas gravitatorias se abrirá una nueva era en la física. Actualmente todo lo que se sabe del universo se sabe porque se detecta la luz que emiten las estrellas y otros astros.
 
Pero este tipo de objetos representa únicamente el 5% del universo. Puesto que cualquier objeto, lo veamos o no, tiene energía y, por lo tanto, gravita, se supone que todos los que forman el universo, incluido el 95% que ahora nos resulta desconocido, emiten ondas gravitatorias. Si se pudieran detectar se vería el universo tal como es en realidad y se podrían desvelar los secretos que hoy oculta. Hasta que esto suceda, tal vez haya que confiar en que alguien tenga una visión en la que se vea a sí mismo corriendo a lo largo de una onda gravitatoria y, como quien escribe una gran novela o arma una sinfonía, desarrolle una nueva teoría de la gravedad que resuelva los misterios que hoy por hoy la ciencai es incapaz de desentrañar.