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       Artículo de ciencia

100 años de Relatividad General: Más allá de Einstein


 Física / Astronomía
José Manuel Uría   25/11/2015
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     No es un ámbito de investigación muerto, sino todo lo contrario, lleno de vitalidad, retos y propuestas emocionantes sobre las que se construye la realidad.
El 25 de Noviembre de 1915 Albert Einstein presentó sus ecuaciones de campo de la gravitación en la Academia Prusiana de Ciencias. Poco después David Hilbert obtuvo las mismas ecuaciones a partir de un enfoque diferente al de Einstein (cuya deducción partía del principio de covariancia y del principio de equivalencia), pues Hilbert basó su deducción en la postulación de una acción del campo gravitatorio.

Para Einstein fue la culminación de varios años trabajando en solitario, y durante algún tiempo con la inestimable colaboración de Marcel Grossman, en la aplicación de su principio de relatividad al caso del campo gravitatorio. Celebramos, por tanto, el centenario de una teoría científica muy celebrada, y que ha tenido un gran impacto en el desarrollo de la física y en el pensamiento contemporáneo, como se desprende de mi artículo anterior. Pero que sin embargo es poco conocida realmente por el gran público, incluso por muchos físicos, como resultado de los no siempre bien diseñados programas docentes en el ámbito universitario. Cuando una teoría científica ha tenido tanto tiempo para desarrollar sus principios y postulados, y ser verificada en una cantidad importante de situaciones experimentales, la pregunta que surge es cuál puede ser su futuro. ¿Se quedará la relatividad general «para siempre», o vendrá a ser sustituida por una teoría más completa y con mayor predictivo?

Albert Einstein y Niels Bohr en pleno debate

No resulta sencillo imaginar cuál podrá ser la evolución del estudio de la gravitación en el próximo siglo, ni siquiera por parte de los expertos en el tema. Como ejercicio de ciencia ficción es difícil imaginar el avance de una ciencia si se desconoce cuáles pueden ser los retos futuros trazados por una evidencia experimental desconocida en este momento. Y una prospectiva rigurosa, casi imposible. Pero hay algunos caminos que es seguro que acometerán los hombres y mujeres que en el futuro estudiarán la física de los campos gravitatorios, si bien no está claro cuáles pueden ser las metas a las que lleguen. Es ahí donde podemos encontrar pistas sobre diferentes futuros probables en el estudio de la física de la gravitación. Esas rutas ya están trazadas tanto en los dominios de la investigación experimental como en los de la teórica.

Desde la perspectiva de la investigación experimental un reto importante es la detección directa de ondas gravitatorias. Una predicción fundamental de la teoría de la relatividad general de Einstein es la existencia de ondas gravitatorias. El problema es que tales ondas son muy difíciles de detectar, ya que los campos gravitatorios son muy débiles y hay que detectar las propias oscilaciones de la textura del espacio-tiempo. Ya que la existencia de ondas gravitatorias es una consecuencia directa de la teoría de Einstein es importante verificar que existen realmente. Es la única de las grandes predicciones de la relatividad general que no se ha verificado experimentalmente con precisión. Aunque sí existen pruebas indirectas sólidas de la existencia de ondas gravitatorias. Casos en los que los fenómenos observados son explicados por la emisión de radiación gravitatoria, y cualquier otra explicación alternativa resulta demasiado extraña o poco probable.

LISA, antena espacial equipada con interferómetro por láser busca ondas gravitacionales

En estos momentos existen varios programas de investigación para la detección directa de ondas gravitatorias. Es cuestión de tiempo, y posiblemente de no mucho, para que experimentos como LIGO aporten pruebas de la detección (o no) de tales ondas. Sean cuales sean los resultados obtenidos, tendrán aplicación en el estudio de la astrofísica de objetos como las estrellas de neutrones y los agujeros negros. También, en el estudio de los primeros instantes de nuestro universo y su estructura a gran escala.

Otro ámbito donde la investigación experimental es fundamental es en la verificación de uno de los postulados físicos fundamentales de la teoría de Einstein: el principio de equivalencia. Éste establece, en su formulación más débil, la igualdad de la masa inercial y la masa gravitatoria. Es decir, conecta la inercia con la gravitación, y es uno de los pilares fundamentales de la relatividad general. Empleo el término «débil» porque a día de hoy los investigadores consideran cuatro versiones de este principio fundamental, y su fuerza se refiere a hipótesis más restrictivas sobre cómo es el comportamiento del campo gravitatorio frente a otros campos. En su versión más débil no hace sino convertir en una ley física un hecho experimental conocido ya desde los tiempos de Galileo. El principio de equivalencia en su versión más débil se ha verificado varias veces a lo largo del siglo XX con gran precisión experimental.

Principio de Equivalencia

En su versión más fuerte implica el carácter geométrico de la gravitación y que no existen contribuciones adicionales de otros campos hipotéticos. Esto quiere decir que toda la física del campo gravitatorio viene descrita por la métrica, que es la entidad que, empleando las palabras del propio Einstein, da sentido a nuestras medidas con reglas y relojes. De este modo, verificando el principio de equivalencia fuerte se va mucho más allá de la aceptación o no de las teorías de campo de Einstein, pues se mostraría la ausencia de otras interacciones fundamentales (una «quinta fuerza»), y también se eliminarían del campo de juego de la física teórica otras versiones alternativas de la teoría de la gravitación diferentes a la que se basa en los trabajos de Einstein. También es importante verificar la compatibilidad del principio de equivalencia fuerte con la mecánica cuántica, y en este ámbito, tanto los resultados negativos como positivos siempre han tenido y tienen, una trascendencia fundamental. Y el estudio cuando los campos gravitatorios son extremadamente intensos, para buscar los límites de la teoría.

También pueden tener mucha proyección la investigación indirecta de propiedades generales de los campos gravitatorios, desde una perspectiva mucho más amplia que la que pueda aportar la relatividad general, obtenidos a partir de observaciones astrofísicas y cosmológicas. El análisis dimensional muestra que para observar fenómenos de carácter cuántico en los campos gravitatorios se necesitan grandes energías, lo que hace difícil obtener evidencias directas en torno a una cuestión fundamental, que es la de la suavidad o granularidad del espacio-tiempo. Aplicando los principios del mundo cuántico a los campos gravitatorios se puede deducir que éstos deberían de fluctuar a muy pequeña escala, del orden de lo que se conoce como longitud de Planck, dando lugar no a una consistencia suave del espacio-tiempo, sino a un medio dinámico y turbulento, quizá poblado de un montón de agujeros de gusano fluctuantes, y fenómenos de ese estilo. John A. Wheeler acuñó el término «espuma cuántica» para describir este comportamiento del espacio-tiempo a pequeña escala, un término popularizado por Stephen Hawking en algunos de sus trabajos científicos y sobre todo en sus libros de divulgación.

Espuma cuántica

Recientemente, a partir de la observación del comportamiento de los fotones procedentes de los rayos cósmicos, se han obtenido límites para la granularidad del espacio-tiempo, y se ha encontrado que en escalas en las que ya deberían observarse trazas de la espuma cuántica, éste se muestra completamente suave. A la espera de más resultados de este tipo, pues aún son preliminares, surgen preguntas apasionantes. ¿De confirmarse la suavidad del espacio-tiempo implicaría que la mecánica cuántica no se aplica a los campos gravitatorios? ¿Es la escala de Planck inadecuada para resolver la espuma cuántica, y por qué es así, pues la deducción se basa en principios fundamentales bien establecidos? ¿Qué falla entonces en nuestros modelos?

Las respuestas podrían ser más intrigantes aún que las preguntas, o al menos eso espero yo, si realmente es el caso. Observaciones de fenómenos astrofísicos como las comentadas también pueden aportar pistas sobre la posibilidad de la ruptura de la invariancia Lorentz, la simetría fundamental de la relatividad especial. Tal ruptura de simetría podría facilitar, y mucho, el trabajo de los físicos teóricos que buscan una teoría de la gravedad cuántica, pero de momento no han tenido tanta suerte. También resultan útiles para refutar generalizaciones de la relatividad especial, como la denominada doble relatividad especial, que parece haber sido ya refutada por algunas observaciones.

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