Desde Mercurio hasta los agujeros negros: Einstein y la teoría de la relatividad general en la astrofísica

El universo se nos presenta como algo bello, complejo y, simultáneamente, exótico. No solo contiene objetos que desafían nuestra imaginación, como es el caso de los agujeros negros, sino que tanto el tiempo como el espacio pueden encontrarse deformados y ahora sabemos que el mismo cosmos tuvo un nacimiento: el Gran Estallido hace casi 14 mil millones de años. Aunque subyugantes, no son conceptos fáciles de entender  para unos primates, nosotros, que evolucionaron en las sabanas africanas. Nuestra  estructura mental, desarrollada entonces, está basada en un espacio de tres dimensiones y un tiempo cuya transcurso es lineal y homogéneo, independientemente del lugar en el que nos encontremos. ¿Cómo hemos llegado a conocer esta realidad tan extraña y ajena a nuestra experiencia directa? La respuesta está en uno de los grandes héroes del siglo XX, Albert Einstein pero, como veremos, no solo en él.

Ilustración del periódico británico London News que explica la desviación de los rayos de luz debida a la acción de la gravedad del Sol, según las mediciones realizadas en 1919 y que confirmaban de manera espectacular la teoría de Albert Einstein sobre la relatividad general, publicada cuatro años antes.

En noviembre de 1915 Einstein publicó varios artículos científicos que en buena medida cambiarían la astrofísica y, con ella, nuestra percepción del universo. Y este proceso ocurrió mediante una teoría en donde los ingredientes matemáticos tenían un peso extraordinario y los componentes físicos, las referencias directas a la realidad, eran aparentemente escasos. De hecho, salvo unos pocos estudios, pasarían varias décadas hasta que se reconociera su verdadera importancia. Se trata de su teoría de la relatividad general, que se ocupa de la atracción gravitatoria. Recordemos que diez años antes, en su annus mirabilis de 1905, Einstein había publicado tres artículos de gran influencia (recibiría el Premio Nobel en 1921 por el denominado efecto fotoeléctrico, crucial para el funcionamiento de las placas solares, por ejemplo) y que en uno de ellos formuló su teoría de la relatividad especial. A pesar de incluir ambas la palabra relatividad, la teoría de 1905 trataba del movimiento y probó que no existía un tiempo ni un espacio absolutos, algo que nuevamente “atacaba” nuestra percepción como primates. Aun así, su validez se ha demostrado una y otra vez de manera experimental. Pero, ¿qué es la teoría de la relatividad general?

Las extravagancias del planeta más pequeño

A finales del siglo XIX se sabía que el planeta Mercurio, el más próximo al Sol, tenía una peculiaridad. Su órbita no respondía perfectamente a las leyes del movimiento planetario de Johannes Kepler, que se derivan de la Ley de la Gravitación Universal de Isaac Newton. Mercurio, como el resto de los planetas del Sistema Solar, se mueve en torno al Sol describiendo una trayectoria algo diferenciada de un círculo. Se trata de una suave elipse, un tipo de curva ya descrita en la Antigüedad. Sin embargo, las observaciones sistemáticas y de gran precisión habían mostrado que Mercurio se desviaba de su trayectoria de manera sistemática. Aunque este cambio, denominado precesión, era de sólo 43 segundos de arco cada centuria, lo que aproximadamente equivale al tamaño angular de una moneda de un euro vista a unos cien metros de distancia, era lo suficientemente relevante como para crear cierta incomodidad. Cierto es que el planeta Neptuno fue descubierto en 1846 debido al efecto gravitacional que provocaba en la trayectoria de Urano, en un esfuerzo comunal paneuropeo, no exento de competiciones nacionalistas. Pero en este caso, las perturbaciones y su descripción matemática se entendían completamente y respondían de manera perfecta a la teoría de Newton sobre la gravedad. Sin embargo, Mercurio se mostraba más esquivo. Usando una licencia poética, más volátil, como su mismo nombre parece indicar.

La idea más brillante

Albert Einstein conocía el problema de la precisión anómala de Mercurio cuando realizó un sumario de su teoría de la relatividad especial en 1907, según el cual se percató de que podía violar un principio esencial en la Física: que los cuerpos caen a la misma velocidad, independientemente de su masa y su forma. Asumiendo, eso sí, que no hay rozamiento debido al aire que nos rodea. Formulado por Galileo Galilei a principios del siglo XVII, era uno de los fundamentos primordiales de la mecánica. Así pues, ¿nos devolvía la relatividad especial a una Física aristotélica? La genialidad de Einstein se demostró en ese momento con lo que él mismo denominó su idea más brillante: el principio de equivalencia, según el cual la fuerza de inercia es a todos los efectos igual a la atracción de la gravedad. Fuerzas que son familiares para todo el mundo, ya que la gravedad nos ata a nuestro planeta y la inercia aparece, por ejemplo, cuando el vehículo en el que nos encontramos arranca y experimentamos un tirón en dirección opuesta al movimiento. Einstein ilustró su principio de equivalencia con un experimento mental: en un ascensor sin ventanas no se pueden distinguir ambas fuerzas.

Un gran esfuerzo de colaboración

En el desarrollo de su teoría de la relatividad general, Eisntein no estaría solo, ya que notables científicos participaron de diferentes formas. Algunos lo hicieron como corresponsales epistolares con los que comentaba sus avances, y los obstáculos a los que se enfrentó, y cuyas cartas permiten seguir el desarrollo de la teoría; otros, como colaboradores necesarios. Así, se encuentran nombres como el de Marcel Grossmann, Michele Besso o Erwin Freundlich. Este último, por ejemplo, un joven astrónomo del observatorio de Postdam, fue esencial para desarrollar las ideas que conducirían a la primera demostración experimental de la teoría. La colaboración se realizó en el invierno entre 1911 y 1912.

En 1913, Einstein desarrolló una teoría preliminar, a la que denominó Entwurf (borrador en alemán) que, aunque errónea, fue muy importante en su camino hacia la formulación matemática que publicaría dos años más tarde. De hecho, poco antes, junto con Grossmann, ya había dado con la solución correcta, aunque sin reconocerla como tal. Un ejemplo más de la importancia de las casualidades y de la fortuna en el avance de la ciencia.

Confirmación y la nueva realidad del universo

Tras la aparición de la teoría de la relatividad general en 1915 se inició la búsqueda de su demostración empírica. La misma solo podía realizarse con el cuerpo de mayor masa disponible: el Sol. En 1919, un equipo internacional coordinado por Arthur Eddington observó durante un eclipse total de Sol cómo la gravedad de nuestra estrella desviaba los rayos de luz que provenían de astros lejanos y que pasaban cerca de su superficie, tal y como preveía la nueva teoría de Einstein frente a la de Newton, que preveía una desviación distinta. Los resultados fueron noticia en numerosos periódicos en todo el mundo y Einstein se convirtió en toda una figura mediática. El experimento se verificaría durante otro eclipse de Sol  en 1922. A pesar de ello, la teoría de la relatividad general no eclosionaría, convirtiéndose en esencial, hasta pasado un tiempo. Tras la Segunda Guerra Mundial, una nueva generación de científicos empujados por las inversiones en ciencia y tecnología que se promovieron en la época (y de las cuales, por cierto, seguimos beneficiándonos) comprendió la verdadera potencialidad de la teoría e integró los avances realizados, tanto desde el punto de vista observacional, como del teórico.

Surgió así la idea de un universo en expansión, según la denominada ley de Hubble (aunque las nociones iniciales son anteriores y Edwin Hubble no dio el debido crédito a las medidas de Vesto Slipher, publicadas en1917, y a los trabajos de Georges Lemaître de 1927), con un principio, el Big Bang, cuya evidencia observacional fue encontrada de manera casual (un ejemplo más de la serendipia en la ciencia) por Arno Penzias y Robert Wilson en 1964, al encontrar el fondo cósmico de microondas, una emisión uniforme consecuencia de la gran explosión. Y no olvidemos el descubrimiento de los agujeros negros y otros objetos celestes como los quásares y los púlsares (estrellas de neutrones, el final de objetos más masivos que el Sol), cuya descripción requiere de la teoría de Einstein y las soluciones encontradas por Karl Schwarzschild dos años después de su publicación en 1915.

Nuestra misma galaxia, la Vía Láctea, contiene un inmenso agujero negro en su centro, que domina el movimiento, no solo de sus alrededores, sino cuya influencia se extiende mucho más allá. Pero, para ser más prosaico, una teoría formulada hace ya un siglo, la de la relatividad general de Einstein, es esencial para usar herramientas cotidianas tales como la navegación GPS, dado que los relojes internos de cada uno de los satélites se ven afectados por el campo gravitatorio de la Tierra, que ralentiza el tiempo. Aparentemente de manera ínfima pero suficiente como para que, de ignorarla, las posiciones fueran erróneas. Por tanto, podemos decir que nuestro bienestar depende, en cierta medida, de una teoría que nació para dar respuesta a un problema menor de la mecánica celeste. Después de todo, el comportamiento del planeta más cercano al Sol no es tan “mercurial”.

David Barrado Navascués

CAB, INTA-CSIC
Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC, Madrid)

@David_Barrado

PD (20160311): El 11 de febrero del 2016 se anunció la confirmación de la brillante hipótesis de Albert Einstein sobre las ondas gravitatorias, formulada en 1916 y consecuencia de la Teoría General de la Gravedad, publicada un año antes. Más información en:

Natación sincronizada: agujeros negros y ondas gravitatorias

 

 

 

 

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