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       Artículo de ciencia

Un siglo de la relatividad general de Albert Einstein


 Física / Astronomía
José Manuel Uría   23/07/2015
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     Enumeramos los diferentes logros de la relatividad general como teoría de la física.
En el año 2015 se acumulan conmemoraciones de importantes hitos científicos por los cuales ha sido instaurado como Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz. Entre los aniversarios a tener en cuenta se citan los siguientes: los estudios sobre óptica de Ibn Al-Haytham (1015); las investigaciones de Augustin Fresnel sobre la naturaleza ondulatoria de la luz (1815); la formulación de las ecuaciones del campo electromagnético por parte de James Clerk Maxwell (1865); la teoría de la relatividad general de Albert Einstein (1915); el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas por Arno Penzias y Robert Wilson (1965).

Los tres últimos están estrechamente relacionados entre sí, y se puede establecer una ligazón causal muy bien definida, ya que de trabajo de Maxwell deriva la relatividad especial de Einstein, y la predicción de la existencia de la radiación de fondo fue resultado del desarrollo de la cosmología física, por aplicación de la relatividad general. Además, el aniversario de la relatividad general tiene su propia importancia en lo que se refiere al desarrollo de la física fundamental. Se trata de un hito fundamental tanto para la física teórica, como por resultado de avances tecnológicos más recientes, de la física aplicada.

Poco después de haber formulado su teoría de la relatividad especial Einstein se propuso aplicarla al caso, muy importante en física, de los campos gravitatorios. Pero el problema resultó ser mucho más complejo de lo que el propio Einstein y otros físicos de la época habían creído en un primer momento. Tras ocho años de trabajo sobre el tema (con la colaboración puntual del matemático Marcel Grossmann) en Noviembre de 1915 Einstein presentó sus ecuaciones para el campo gravitatorio en la Academia Prusiana de Ciencias. Fue la culminación de ocho años de trabajo, casi en solitario por parte de Einstein, aunque en las etapas finales de la relatividad general fueron importantes los trabajos del matemático David Hilbert y sus colaboradores.

Albert Einstein y Niels Bohr en pleno debate

La relatividad general es un hito fundamental en la física teórica del siglo XX, quizás en toda la historia de la disciplina, y uno de los mayores logros del pensamiento humano. Para entender por qué es así hay que tener en cuenta que la contribución de Einstein ha resultado ser fundamental desde el punto de vista teórico, pero, y esto es importante, de las aplicaciones. Durante décadas esta teoría constituyó un ámbito eminentemente teórico dentro de la física, con muy poca dedicación a la investigación por parte de la comunidad de los físicos. Los avances en astrofísica y cosmología revitalizaron la investigación en relatividad general, pero aún así parecía ser un dominio teórico, y no aplicado. Hasta el desarrollo de la tecnología GPS de posicionamiento global.

Porque esta tecnología depende en gran medida de las predicciones de la teoría de la relatividad general. El sistema de satélites de posicionamiento depende en gran medida de un sistema de sincronización de relojes, y es tal la precisión para el posicionamiento con un error de pocos metros, que hay que tener en cuenta cómo la presencia de un campo gravitatorio afecta al comportamiento de los relojes. De hecho, la predicción de que el ritmo de los relojes en el seno de un campo gravitatorio intenso y otros relojes de referencia es una de las predicciones clásicas de la relatividad general.

También se podría mencionar como aplicaciones indirectas de la relatividad general todas aquellas que derivan del empleo de tecnologías físicas desarrolladas para la investigación de teorías físicas basadas en la relatividad general. Los avances tecnológicos de los ingenieros asociados con la construcción de sondas como las WMAP o Planck pueden atribuirse al desarrollo de la teoría de la relatividad general. Pues sin ella, Penzias y Wilson no habrían podido interpretar el origen de ese persistente ruido que detectaban en su antena y cuya naturaleza fue rápidamente comprendida por Robert Dicke, autor de una teoría de la gravitación alternativa a la original de Einstein.

Curvatura de la luz por efecto de la gravedad

Otra de las predicciones de la relatividad general, y de hecho fue una de las primeras en ser verificada mediante la observación de un eclipse, convirtiendo a Einstein en una estrella mediática de su tiempo, es que los rayos de luz se curvan en presencia de un campo gravitatorio. Este comportamiento de la luz bajo la acción de la gravedad es muy importante en la investigación en cosmología y astrofísica galáctica, ya que da lugar al espectacular efecto de lente gravitatoria. Como también lo es el corrimiento al rojo de la luz por la acción de un campo gravitatorio.

Todas estas predicciones teóricas han supuesto importantes herramientas en la astrofísica para el estudio de las propiedades físicas de los cuerpos estelares. Pero quizá sea otra, que el propio Einstein aborrecía, la más espectacular entre aquellas relacionadas con el estudio de las estrellas: la existencia de los agujeros negros. Desde los trabajos de Karl Schwarzschild, tan pronto en la historia de la relatividad general como en 1916, se sabía que la teoría predice la existencia de singularidades, de soluciones asociadas con una curvatura del espacio-tiempo infinita. El trabajo de Robert Oppenheimer en 1939 demostró cómo estos objetos podrían crearse como resultado del colapso gravitatorio de una estrella. Aunque no sería hasta los años sesenta del pasado siglo cuando estos objetos pasasen a entrar de lleno en el ámbito de la astrofísica como resultado de las investigaciones de John Archibald Wheeler y la demostración de los teoremas sobre existencia de singularidades de Roger Penrose y Stephen Hawking.

Agujero negro (visión artística distribuida por la NASA)

Curvatura del espacio-tiempo
, ese es uno de los conceptos clave de la relatividad general. Pues una de las claves de la teoría de Einstein es que relaciona las propiedades geométricas del espacio-tiempo con la distribución de masa-energía en su seno. Es decir, la masa-energía puede inducir curvatura en el espacio-tiempo. Precisamente este hecho es el que explica la existencia de los agujeros negros, un objeto muy masivo como una estrella puede llegar a contraerse tanto en una región pequeña el espacio que es capaz de inducir una curvatura infinita del espacio-tiempo.

Pero aquí hay que tener en cuenta un hecho importante, que no siempre se explica bien en las exposiciones divulgativas sobre la relatividad general. La presencia de materia da lugar a curvatura del espacio-tiempo, pero esta última puede existir en ausencia de materia. De hecho esto tiene relevancia en cosmología, disciplina desarrollada a partir de los artículos de 1917 del propio Einstein y del físico holandés Willem de Sitter. Precisamente fue este último el primero en construir un modelo de universo en expansión pero sin la presencia de materia, modelo que hoy es fundamental en la descripción de los primeros instantes de nuestro universo en la cosmología inflacionaria, y que representa un modelo aproximado de su evolución futura.

Diagrama de tiempos del Big Bang

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