100 años de la Teoría de la Relatividad: La historia de cómo Einstein gestó su gran legado

Una vez que salimos de nuestro pequeño planeta, las consecuencias de esta teoría son literalmente astronómicas.

Guía de: Matemáticas

Este año 2015 es un año muy especial para el mundo de la Física. Se cumplen 100 años de uno de los descubrimientos más revolucionarios para la disciplina, la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein. Esta Teoría es sobre la gravedad y si bien es cierto que para predecir la caída de las manzanas de los árboles no aporta mucho más que la previa Teoría de Newton, una vez que salimos de nuestro pequeño planeta las consecuencias son literalmente astronómicas.

Si bien la teoría se conoció en 1915, los expertos dicen que las primeras ideas de esta teoría fueron 5 años antes cuando Einstein era un joven empleado público en Suiza. La combinación de arrogancia, rudeza y aparente flojera le habían impedido obtener una posición formal y el respeto de la academia. Pero la poca dificultad y exigencias de su trabajo le permitieron trabajar a fondo logrando escribir 4 papers notables de los cuales 3 de ellos son considerados revolucionarios en la disciplina.

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En uno de estos trabajos esbozó una de las ecuaciones más simples y profundas de la Física y que ahora está en el inconsciente colectivo de todos  E = mc². El universo tenía ahora un máximo universal de velocidad, nada se podía mover más rápido que la luz y esa cota máxima era 299.792.458 metros por segundo. Esta teoría elimina toda posibilidad de existencia de un tiempo y de un espacio absoluto en el conjunto del universo. Esto se conoce como la Teoría de la Relatividad Especial o Restringida y muchos la confunden por alcance de nombres con la Teoría General de la Relatividad que una extensión o generalización de la anterior Teoría.

La Teoría General de la Relatividad se enfrentaba con la Teoría de la Gravitación de Newton que llevaba ya 250 años de existencia. Einstein era un hombre de una gran intuición y bastante práctico en el sentido científico del término. Es decir, era capaz de plantear situaciones o experimentos tanto teóricos como prácticos que permitían obtener conclusiones notables. Por ejemplo, Einstein se preguntaba qué pasaría si nuestro Sol explotara repentinamente. Un sencillo cálculo nos daría 8 minutos de falsa tranquilidad antes de que nos lleguen las primeras noticias de esta explosión por la luz emitida por esta. Por otro lado la teoría de Newton predice que la Tierra sentiría de manera instantánea la ausencia gravitatoria de nuestro Sol y dejaría de moverse elípticamente alrededor de donde ya no estaría, lo que significaría que la información puede transmitirse más rápido que la luz, lo que resulta contradictorio.

Para resolver esta paradoja intentó primero algunas modificaciones menores a las ecuaciones para introducir un desfase temporal que no lo llevó a nada. Le tomó 8 años y un regreso a las bases del concepto de gravedad resolver un problema en el que nadie más parecía estar seriamente interesado en la comunidad científica de la época. En 1913 había esbozado una teoría que tenía algunos problemas que él consideraba menores hasta que un verano de 1915 en Göttingen dictando unas charlas de su teoría conoció al famoso matemático David Hilbert que era reconocido como uno, si no el más grande matemático vivo de esa época. En esa semana que estuvieron juntos Hilbert tuvo mucha interacción con Einstein.

Las consecuencias de este viaje fueron enormes, lo primero fue que se dio cuenta de que su teoría, a pesar de tener buenas ideas, no servía. Lo segundo fue que mediante una carta Hilbert le contó que si bien había apreciado sus charlas había llegado a la misma conclusión que él, es decir, su teoría era incorrecta. Pero peor aún Hilbert había decidido trabajar en el problema por su cuenta. Ahora Einstein tenía competencia y nada menos que el mejor matemático existente. Las crónicas indican que fue presa de una fuerte depresión que enfrentó como un gran científico. Se ensimismó en su trabajo por completo olvidando por momentos de comer y beber. Su fecha límite estaba decidida con antelación y era Noviembre de ese mismo año donde se había comprometido a dar 4 charlas, una por semana, en la Academia Prusiana de Ciencias. Lo que se sabe es que logró avanzar en su teoría en paralelo con sus charlas, lo que quiere decir que mucho de lo que presentaba en una charla no lo sabía en su presentación anterior. Por si fuera poco, Hilbert le pisaba los talones enviándole cartas que mostraban que iba por el buen camino. Finalmente, el “momento Eureka” ocurrió una semana antes de su última charla logrando así anunciar su Teoría en la última charla.

Espacio que se deforma

El concepto de un espacio pasivo e inamovible fue reemplazado por un espacio que se deforma en presencia de objetos con masa. La gravedad deforma el espacio y por si fuera poco también el tiempo. Viajar a la velocidad de la luz hace que el tiempo transcurra de manera diferente. Esto está planteado de manera genial en otro de los experimentos teóricos de Einstein conocido como la paradoja de los dos gemelos, aun cuando es posible enfrentarla solo con la Relatividad Especial.

La versión más conocida de la paradoja presenta a dos gemelos de los cuales uno de ellos hace un largo viaje con velocidad cercana a la de la luz a una estrella mientras su gemelo se queda en la Tierra. A la vuelta, el gemelo viajero debiera ser más joven que el gemelo terrestre.

En efecto de acuerdo con la teoría especial de la relatividad por la dilatación del tiempo, el gemelo que se queda en la Tierra envejecerá más que el gemelo que viaja por el espacio a gran velocidad porque el paso del tiempo del gemelo de la nave espacial transcurre más lento que el tiempo del que permanece en la Tierra.

La paradoja surge con esta observación: por un argumento de simetría desde la perspectiva del gemelo que va dentro de la nave, el que se está alejando es el otro gemelo en la Tierra y, por lo tanto, según este otro gemelo, su hermano en la Tierra tendría que envejecer menos por moverse respecto a él a velocidades cercanas a la de la luz. Esta paradoja es simple de explicar con la Teoría de Einstein.

Está demostrado experimentalmente que el tiempo transcurre de diferentes maneras para diferentes observadores. En 1971, J. C. Hafele y R. Keating, transportaron un reloj atómico de cesio a bordo de un avión comercial durante más de 40 horas para luego comparar las lecturas con otro idéntico en Tierra con el que estaba sincronizado. Al comparar los relojes atómicos después del vuelo, ya no estaban sincronizados. El reloj atómico que había volado estaba ligeramente retrasado en unas pocas centésimas de milésima de millonésima de segundo. Después de descontar efectos gravitatorios y repitiendo el experimento varias veces, la única explicación posible era dilatación temporal.

 

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