El legado de Albert Einstein*

El legado de Albert Einstein

No fue nada menos que una revolución: en noviembre de 1915, Albert Einstein dejó perpleja a la comunidad científica internacional con su Teoría General de la Relatividad. Con ella ofreció al mundo un conjunto de nuevos enfoques que dieron una respuesta a algunas de las preguntas más longevas sobre la creación y evolución de nuestro universo, además de predecir la existencia de complejos fenómenos cósmicos como son los agujeros negros y las vertiginosas ondas gravitacionales.

A continuación se presentan cinco historias sobre cómo las ideas de Einstein cambiaron radicalmente nuestra concepción del universo en los últimos cien años:

1. Sobre la teoría de Einstein: la curvatura del Espacio-Tiempo

Ésta fue una idea que ocupó a Einstein durante años, y no fue hasta en noviembre de 1915 que finalmente pudo terminar de condensarla con éxito en el marco de una serie de ecuaciones (las famosas «ecuaciones de campo», o «field equations» en inglés): había nacido la teoría general de la relatividad, su obra maestra.

En noviembre de 1915 hizo pública su teoría por primera vez en la Academia Prusiana de las Ciencias (Preußische Akademie der Wissens- chaften, en alemán) de Berlín. Si los profesores que asistieron a la conferencia realmente pudieron entender o no el contenido del discurso de Einstein en ese momento es aún incierto, aunque es más bien improbable, ya que se trataba de una teoría altamente compleja, sobre todo por el hecho de que ponía en duda algo de lo cual todos suponemos tener una idea muy clara: los conceptos de espacio y tiempo.

En nuestra concepción cotidiana, el tiempo parece transcurrir estoicamente, siempre a la misma velocidad. El espacio, por su parte, se presenta como un escenario fijo sobre el cual la naturaleza interpreta su obra. Sin embargo, en la concepción de Einstein, la obra y los sucesos que en ella tienen lugar ejercen una influencia directa sobre la forma del esce- nario, y a su vez el escenario determina también el transcurso de la obra.

Teoría de la relatividad especial (1905)

La teoría especial de la relatividad explica el movimiento de los cuerpos y campos electromagnéticos en el tiempo y el espacio. Una de sus premisas principales consiste en manejar la velocidad de la luz como una constante. De aquí se deriva, entre otras, la idea de que, para los objetos que se muevan a una velocidad muy elevada, cercana a la de la luz, el tiempo transcurrirá más lentamente que para los objetos en reposo —ésta idea trascendió particularmente en su versión metafórica, conocida como la «paradoja de los gemelos». El artículo «Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento», que Einstein había publicado unos meses atrás en 1905, se considera como el punto de partida de esta primera teoría.

 

Teoría de la relatividad general (1915)

La teoría general de la relatividad complementa la teoría especial de la relatividad aplicándola al fenómeno de la gravedad, que había sido descrito anteriormente por Newton y que hasta ese momento había sido incompatible con la teoría de Einstein. La atracción entre los cuerpos se interpretaba ya no como un conjunto de fuerzas actuando unas sobre otras, como en la ley de Newton, sino como una curvatura en el espacio-tiempo cuatridimensional (este compuesto de las tres dimensiones espaciales más el tiempo, que en esta concepción se integra en forma de una cuarta dimensión adicional). Albert Einstein presentó por primera vez los fundamentos generales de esta teoría en una serie de cuatro ponencias, en noviembre de 1915, en la Academia Prusiana de las Ciencias en Berlín.

Toda la materia deforma el espacio en el que se encuentra, como lo hiciera una esfera grande de cristal colocada encima de una superficie elástica: la masa de la esfera causaría un hundimiento en esta superficie, y el espacio alrededor de la esfera aparecería curvado en dirección a su base. Ahora, si se hiciera rodar una canica sobre dicha superficie, la deformación causada por la esfera grande atraería a la canica en su dirección. De esta forma Einstein explica cómo la materia se atrae mutuamente: ambos objetos deforman el espacio, e influyen así en la respectiva trayectoria del otro.

Pero no solamente el espacio es moldeable, también lo es el tiempo: cada cambio que ocurre en el espacio ejerce una influencia directa en la velocidad con la que el tiempo transcurre en él. En el universo de Einstein, espacio y tiempo forman una unidad: el así llamado «espacio-tiempo».

A primera vista, la teoría de Einstein se antoja quizá fantasiosa. Sin embargo, el mismo día de su publicación Einstein demostró que sus ideas eran más que quimeras, pues de un solo golpe resolvió un misterio astronómico de décadas.

Desde Kepler los astrónomos ya podían predecir con exactitud la trayectoria de los planetas. Solo Mercurio, el planeta más cercano al Sol, tenía un comportamiento distinto al que anunciaban los números. Eins- tein proporcionó una explicación a tal misterio: el Sol curva el espacio a su alrededor hasta tal grado que influye en la trayectoria de Mercurio de una forma mucho más acentuada. Los cálculos de Einstein en este sen- tido encajaban a la perfección: la nueva teoría había por lo tanto pasado su primera prueba.

2. Los agujeros negros: «Trampas» en el universo

En los años que siguieron, los físicos y los matemáticos se abalanzaron sobre esta idea de Einstein y con ella fueron dando con fenómenos cada vez más extraordinarios. El más extraño de todos ellos es probablemente el de los agujeros negros.

Según la teoría de Einstein, el espacio-tiempo es deformado por la materia: cuanto mayor sea la masa y la densidad de un cuerpo, más profunda será la concavidad que producirá en la superficie del espacio-tiempo. Una masa extremadamente densa puede llegar a doblar el espacio-tiempo al grado de crear un hundimiento insuperablemente profundo. Toda materia que se encuentre dentro de esta quedaría atrapada dentro y desvinculada del resto del universo. Ni siquiera la luz sería capaz de escapar de esta descomunal influencia.

Un objeto de tales características ejercería una colosal fuerza de atracción sobre todo lo que le rodeara. Sería capaz de devorar la masa de múltiples soles y concentrarla en un solo punto pequeño. En su centro, el tiempo permanecería estático. Pero, ¿es posible que un objeto tan extravagante exista realmente?

Los científicos se han puesto a la búsqueda. Ver directamente los lla- mados agujeros negros no es posible ya que, como vimos, no permiten ni siquiera escapar la luz. Sin embargo, lo que sí es posible observar es el efecto que producen en su entorno. Actualmente se presume la existencia de uno de estos colosos en el centro de todas las galaxias. También en el centro de la Vía Láctea, nuestra galaxia, se supone la existencia de uno a 26 000 años luz de distancia de la Tierra.

3. El «Big Bang»: sobre la creación del universo

El primer día, Dios creó el cielo y la tierra. Al cuarto día, las estrellas. Esta histora procede del primer capítulo del Génesis, atribuido a Moisés. Se trata, en este caso, de un mito, y no de una teoría científica. Sin embargo, un intento mejor que este para explicar el origen del universo no surgió hasta muchísimos siglos más tarde.

Más extraordinario aun fue el hecho que haya sido justamente un sacerdote católico el primero que diera con una explicación científica de cómo surgió el universo. El teólogo y físico Georges Lemaître desarrolló en 1927, a partir de la teoría de Einstein, un modelo propio del universo: según Lemaître, en el inicio la energía y el espacio en su totalidad estuvieron comprimidos dentro de un solo punto diminuto. Este explotó, expulsando toda su masa, la cual fue expandiéndose progresivamente has- ta convertirse en el universo actual. Fue solamente tras esta explosión que también el tiempo comenzó a transcurrir. Los críticos de Lemaître dieron a esta propuesta el nombre de teoría del «Big Bang» (gran explosión en inglés), el cual sin embargo llegó después a adoptar oficialmente.

La prueba de esta teoría no se hizo esperar mucho tiempo. En 1929, el astrónomo Edwin Hubble, mientras examinaba una serie de «nebulosas» 1 desde el observatorio de Mount Wilson, en California, descubrió que la gran mayoría de ellas presentaba un desplazamiento hacia el lado rojo en el espectro electromagnético. Hubble llegó a la conclusión de que aquellas que presentaban los desplazamientos más acentuados hacia el rojo eran las que se encontraban a mayor distancia. Pero no solo ésto, sino que eran también las que se alejaban a mayor velocidad del punto de observación, es decir, la Tierra: este fenómeno solo se explicaba si el espacio que había entre las estrellas se expandía.

Desde la Tierra, lo anterior se percibe como si las estrellas fueran separándose progresivamente unas de las otras. Pero, siguiendo esta lógica, si las estrellas en verdad se alejaran simultáneamente unas de otras significaría que en algún momento todas debieron haber partido desde un mismo punto. La teoría del «Big Bang» se impuso. Incluso el papa Pío XII dio su bendición a la teoría en 1951, ya que se amoldaba perfectamente a la doctrina de la creación divina.

4. Ondas gravitacionales: como las ondas en la superficie de un lago cósmico

En 1974, los científicos Russell Hulse y Joseph H. Taylor Jr., de la Universidad de Princeton, hicieron un particular descubrimiento: un sistema estelar binario, es decir, formado por dos estrellas, ambas compuestas de neutrones y con una masa 1.4 veces la de nuestro Sol. Cual una pareja de balletistas colosales, las mencionadas estrellas se orbitan mutuamente.

Mientras otras fuerzas externas no actúen sobre este sistema, las men- cionadas estrellas deberían permanecer danzando en la misma forma hasta la eternidad. Sin embargo, los científicos descubrieron algo peculiar: ambas estrellas se aproximan, incapaces de liberarse de sus respec- tivas influencias gravitacionales. A los bailarines se les acaba la fuerza.

Pero, ¿por qué pierden energía las estrellas? La teoría de Einstein proporciona una explicación: ambas estrellas estremecen con tal fuerza el escenario de su baile, el espacio-tiempo, que lo hacen vibrar. Como las ondas que se generan en la superficie de un lago al echar una piedra, las ondas gravitacionales que generan estas estrellas se transmiten desde su lugar de origen hacia el resto del universo y van llevándose con ellas su energía. Einstein había predicho estas vibraciones del espacio-tiempo. Por la prueba indirecta que proporcionaron de este fenómeno, Hulse y Taylor obtuvieron en 1993 el Premio Nobel de Física.

Hoy en día, los astrónomos intentan medir estas ondas de manera directa. La Agencia Espacial Europea planea poner próximamente en órbita el satélite LISA Pathfinder. Este lanzamiento tendrá como objetivo probar una técnica con la cual se espera poder medir las ondas gravitacionales para 2034.2

5. El fin de los tiempos: la desintegración del universo

Desde el momento del Big Bang, el universo se ha estado expandiendo. Esto fue lo que descubrió Hubble. Dicha expansión sería casi imposible de comprender sin la teoría de Einstein, pues es solo a partir de entonces que nace la concepción del espacio como una especie de superficie elástica. A causa de la expansión, la mayoría de los cuerpos celestes que observamos desde nuestro planeta parecen alejarse de él. Y no solamen- te esto: mientras más lejos se encuentran de nosotros, mayor es también la velocidad a la que se alejan. A mediados de los años noventa, grupos de científicos se dieron a la tarea de investigar esta particular relación. Para ello se procedió a la observación de supernovas, que son estrellas a punto de su muerte cósmica y que, en una sola exhalación final, expulsan sus últimas reservas de energía hacia el espacio.

Los científicos determinaron qué tan lejos se encontraban de la Tierra las supernovas observadas y qué tan rápido se alejaban de nosotros. Durante el proceso contemplaron no sólamente las profundidades del espa- cio, sino también las del pasado del universo, dado que la luz que vemos de las estrellas tarda muchísimo tiempo en llegar hasta aquí. Mientras más lejana una estrella, más antigua es la imagen que nos llega de ella. De esta forma, los científicos fueron capaces de calcular también si la velocidad de las estrellas había cambiado desde el Big Bang.

Los científicos pronosticaban que, con el paso del tiempo, la velocidad de expansión de las estrellas iría disminuyendo. Cuando un objeto explota, los fragmentos vuelan a una velocidad constante o son frenados —ya sea por el aire, la fuerza de gravedad u otros cuerpos en una escala terrestre, o en el espacio a causa del polvo cósmico o nubes de gas. Creían que la fuerza de gravedad iría frenando paulatinamente el avance de las estrellas, quizá incluso al grado que un día estas llegarían a invertir su dirección.

Sin embargo, las mediciones revelaron algo inesperado: la velocidad de las estrellas va en aumento. Según los conocimientos actuales, el universo seguirá expandiéndose y lo hará cada vez con mayor velocidad. Las estrellas llegarán a alejarse tanto entre sí que en algún momento no podrá verse ya luz alguna en el cielo nocturno. Al final se prevé que, del mismo modo, terminarán por desintegrarse las estrellas mismas, y por separarse todos los átomos que componen la materia.

Una interrogante fundamental permanece abierta: ¿cuál es la fuerza que pone en movimiento al universo? Hasta hoy, la ciencia no tiene una respuesta a la pregunta. Se puede calcular y describir la evolución del universo gracias a la teoría de la relatividad, pero no puede explicarse. A esta fuerza misteriosa se la ha bautizado, probablemente por su naturaleza aún ininteligible, como «energía oscura».

Epílogo

A lo largo de las pasadas décadas, nuestra concepción del universo se ha venido transformando radicalmente. El fundamento de tal transformación radica en aquella teoría que Albert Einstein presentara hace poco más de cien años. Sin embargo, muchas preguntas aún permanecen abiertas: ¿existió algo antes del Big Bang? ¿Cómo se ve el interior de un agujero negro? Y ¿qué es esa materia oscura que hace expandirse al universo? La teoría de la relatividad de Einstein aún nos depara muchos misterios.


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Texto traducido por Félix Martínez Hockauf, tomado de  Spiegel Online


1. Como eran conocidas entonces, poco después se descubrió que se trataba en realidad de «microuniversos» separados de la Vía Láctea y por lo tanto mucho más lejanos que el resto de las estrellas en el firmamento. Eran galaxias como la nuestra, compuestas cada una de decenas a miles de millones de estrellas. Este descubrimiento significó un cambio radical en la concepción que se tenía sobre el tamaño real del universo.

2. Nótese que el artículo original fue publicado en noviembre de 2015. En febrero de 2016, apenas unos meses después, científicos del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (Ligo, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, confirmaron oficialmente la primera detección de ondas de esta naturaleza ante los medios de comunicación. Las ondas observadas proceden según los científicos de la fusión de dos agujeros negros ubicados a 1300 millones de años luz de distancia, y fueron registradas simultáneamente por ambos detectores del observatorio, uno ubicado en Hanford (estado de Washington) y el otro en Livingston (Louisiana). Este hecho representó un aporte significativo para la validación de la teoría de Einstein y fue calificado por la revista Science como el «hallazgo científico del año».