Relatividad general II: aplicaciones

En este segundo artículo sobre la relatividad general se abordarán el proceso de consolidación de la teoría y las aplicaciones de su uso que nos han permitido extender nuestro entendimiento del cosmos. Como se apuntó en la primera parte, la relatividad general es una teoría sui generis, pues no pretendía resolver una cierta colección de problemas concretos. Si bien es cierto que la nueva teoría explicaba una pequeña anomalía de la órbita de Mercurio, inexplicable mediante las leyes de Newton, esto más bien fue una guía para Albert Einstein en su propósito de construir la teoría y no una comprobación.

La comprobación

La clave para la elaboración de una teoría física es recopilar fenómenos observados, matematizarlos o generalizarlos y, a partir de este nuevo marco, predecir fenómenos físicos no observados previamente. Es en este sentido, Einstein diseñó un experimento para verificar una predicción de la teoría. La idea es que la masa de nuestro sol es tan grande, que el espacio alrededor de él esta lo suficientemente curvado como para desviar la luz proveniente de una estrella situada justo detrás de él y ser observada desde la Tierra.

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Esquema del experimento propuesto por Einstein. Fuente: Internet.

Sin embargo, la única forma de observar una estrella durante el día es en un eclipse, lo cual complicó bastante la logística del experimento. Tras un par de intentos fallidos, en el eclipse solar del 29 de mayo de 1919, Sir Arthur Eddington logró captar la posición de las estrellas visibles alrededor del Sol y comprobar que éstas se desviaron conforme la predicción de Einstein lo había estipulado.

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Fotografía del eclipse solar de 1919. Aproximadamente a las 14 horas, se observó una estrella que debería ubicarse detrás del Sol. Fuente: Internet.

La emoción de muchos científicos de la época se puede evidenciar por las mismas palabras de Eddington al hacer el descubrimiento:

Hoy es el primer día de un nuevo mundo. Uno en el que es más difícil vivir, pero más certero […] Miren lo que un sólo hombre [Einstein] ha hecho, en su trabajo, en la bella complejidad de un nuevo universo que nos ha mostrado […] Por mi parte, no tengo duda, puedo escuchar los pensamientos de Dios.

 

Arthur Eddington

Un gigante dormido

El resultado de este experimento generó un gran revuelo en la comunidad científica y no científica. No fueron pocos los que comenzaron a investigar este nuevo campo y lograron hacer nuevas contribuciones. No obstante, se puede decir que después de 1930 se había extinguido el interés por esta ruta de investigación. Se pueden identificar varias razones para ello.

La primera fue la consolidación de la mecánica cuántica durante los años veinte, la cual acaparó la atención de los físicos del mundo, incluido el propio Einstein. La mecánica cuántica no sólo lograba explicar una serie de observaciones novedosas, sino que rápidamente encontró aplicaciones en la electrónica, el diseño de materiales y desafortunadamente hasta en la industria bélica.

En cambio la relatividad, al no tener un campo de aplicación concreto, se fue relegando como una curiosidad. Se tuvo que esperar hasta la década de los años sesenta, cuando aparecieron nuevas evidencias astronómicas sobre el posible origen del universo, para que la comunidad volviera a interesarse en la teoría.

Otro golpe duro para la relatividad en sus primeros años fue su gran complejidad matemática. No fue sino hasta los setenta cuando se dispuso de herramientas computacionales adecuadas a fin de reanudar la solución de las ecuaciones de campo para situaciones complejas.

Cosmología: una nueva ciencia

En 1929 el astrónomo Edwin Hubble dio las primeras evidencias de que el universo está en expansión. Hasta ese momento, muchos pensadores tenían la noción del universo como un ente estático, un mero recipiente de los fenómenos que en él ocurrían. La relatividad y estos nuevos descubrimientos mostraban que el espacio era un ente dinámico que evolucionaba en el tiempo. La cosmología surgió entonces como la ciencia que estudia la historia, evolución y composición del universo a gran escala.

Motivado por estos descubrimientos, Georges Lemaître postuló que el universo inicialmente estuvo concentrado en un átomo primordial. En 1948, George Gamow propuso que la evolución del universo se inició con una gran explosión de ese átomo primordial. Estos dos son los componentes de lo que hoy se conoce como teoría del Big Bang. Aunque estas ideas encontraron su formalización en el marco de la relatividad general, la falta de evidencia experimental impedía su verificación.

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Radiación de fondo de microondas. Una de las evidencias más sólidas para la teoría del Big Bang. Fuente: internet.

En 1965 se encontró, de manera accidental, una tenue radiación que parecía provenir de todos lados en el espacio. Esta fue rápidamente interpretada como los ecos del Big Bang. Se reactivó entonces el interés por la teoría, con la relatividad general como una de las grandes herramientas para analizar la evidencia.

La llegada de nuevas tecnologías para la observación del espacio ha puesto sobre la mesa muchos más fenómenos donde es relevante la aplicación de la relatividad general, como  el estudio de la dinámica de galaxias, el problema de la materia oscura, la expansión acelerada del universo (relacionada con la llamada energía oscura), la observación de agujeros negros y lentes gravitacionales, los sistemas binarios y las recientemente detectadas ondas gravitacionales.

El campo fuerte y nuevos horizontes

En esta nueva etapa para la relatividad general se recibieron nuevas verificaciones de la teoría. Por mencionar alguna, la comprobación de los efectos de dilatación del tiempo en los satélites que orbitan la Tierra. Esta corrección resulta importante a la hora de diseñar sistemas globales de posicionamiento (global positioning systems, GPS) precisos.

Aunque, se hablaba de que dichas verificaciones habían sido sólo para campos gravitacionales relativamente débiles;  faltaba comprobar las predicciones para campos fuertes. Un ejemplo de ello eran las llamadas ondas gravitacionales, predichas muchos años atrás, producidas por interacciones gravitacionales tan intensas que producirían perturbaciones del espacio-tiempo que se propagarían por todo el cosmos.

Paralelamente, en 1974, Allan Hulse y Joseph Taylor descubrieron un sistema de dos estrellas de neutrones que se orbitaban mutuamente. Un seguimiento durante años mostró que la órbita se iba encogiendo poco a poco a lo largo del tiempo. La teoría de la relatividad predecía este fenómeno como resultado de la pérdida de energía en forma de ondas gravitacionales. Tras un par de décadas de observación, el contraste entre teoría y experimento dio resultados poco menos que impresionantes.

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Disminución del periodo de rotación del sistema binario de Hulse-Taylor. En línea continua está la predicción de la relatividad general y en puntos rojos las observaciones experimentales. Fuente: Internet.

Las teorías cuánticas ciertamente han gozado de una gran reputación respecto a la precisión de sus predicciones, pero estos experimentos suelen ser llevados con condiciones controladas y bien cuidadas. La relatividad general resulta tan poderosa que nos ofrece una gran precisión para fenómenos que ocurren a 21 mil años luz de distancia y sobre los cuales no tenemos ningún control.

Aunque este experimento daba evidencias sólidas de la existencia de las ondas gravitacionales, éstas no fueron observadas directamente sino hasta 2016, mediante el experimento LIGO. El sofisticado experimento fue capaz de detectar distorsiones en el espacio de hasta una diez millonésima del diámetro de un protón y capturó los ecos de la colisión de dos agujeros negros a mil millones de años luz de distancia. Estos nuevos hallazgos auguran una nueva era para la astronomía, en la que se podrán hacer mapas del espacio y los eventos distantes al detectar las ondas gravitacionales provenientes de ellos.

Muchas preguntas quedan pendientes respecto a los detalles del Big Bang: ¿cómo funciona la gravedad en escalas tan pequeñas en conjunción con las demás fuerzas de la naturaleza?, ¿por qué el universo parece tan homogéneo?

Al mismo tiempo, otro de los descubrimientos importantes de los últimos años es que el universo no sólo se expande, sino que lo hace cada vez más rápido. Existe un conflicto que tiene por un lado a la materia y la materia oscura que intentan contraerse, y la energía oscura que tiende a expandir el universo.

¿La expansión seguirá sin fin hasta alcanzar la denominada muerte térmica del universo?, ¿se detendrá para dar origen a una nueva etapa de contracción?, ¿o se incrementará hasta desgarrar todos los átomos del universo? Las nuevas evidencias, guiadas por nuestras mejores teorías como la relatividad general, buscan responder a estas importantes preguntas, dado que el ser humano siempre se pregunta de dónde viene y cómo será su futuro.

 

 

 

Bibliografía:

  • A first course in general relativity. Bernard Schutz. Cambridge Press.
  • Notas de relatividad general. Arnulfo Castellanos Moreno.
  • Física universitaria con física moderna, vol. 2. Francis Sears, Mark Zemansky, Hugh Young y Roger Freedman. Limusa Wiley.

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