2005, 100 años de la Teoría Especial de la Relatividad
Teoría General
de la Relatividad
El espacio-tiempo es curvo, no existen sistemas preferidos de coordenadas.
La gravedad deforma al espacio y éste le dice a la materia como moverse.
La materia reacciona sobre el espacio y le dice como curvarse.
La teoría general de la relatividad describe al universo en su conjunto.
El universo está en movimiento y en expansión.
Las “fuerzas” de la naturaleza
La Teoría Especial
de la Relatividad, formulada por Albert Einstein en 1905, estaba incompleta. La
aceleración debida a la gravedad no se consideraba. Entonces, en 1915,
Einstein propuso incluirla.
La llamada “fuerza”
gravitacional ha sido motivo de estudios durante, al menos, 300 años.
Antes de Einstein, destacan los trabajos de Newton. En la actualidad se
considera que las “fuerzas” o interacciones fundamentales de la
naturaleza son 4, a saber, las interacciones gravitacional,
electromagnética, nuclear fuerte y nuclear
débil. Las primeras 2 son de largo alcance y, las otras dos, son de
corto alcance.
Eso quiere decir, que las interacciones gravitacional y
electromagnética se manifiestan a grandes distancias, tanto a escalas
locales como de todo el universo en su con junto. La gravitación se debe
a la existencia de la masa de los cuerpos y, la electromagnética, a la
existencia de cargas eléctricas. Las interacciones de corto alcance se
manifiestan a nivel subatómico o nuclear, en distancias muy cortas. La
fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones y neutrones en el
interior del núcleo atómico y, la fuerza nuclear débil, es
la responsable de la radiatividad beta.
Hace algunos años, la
fuerza electromagnética y la nuclear débil fueron unificadas por
la teoría electro-débil de S. Weinberg y A. Salam, de
manera que existen ya solamente 3 fuerzas fundamentales. Grandes esfuerzos se
hacen en el área de la cromodinámica-cuántica, o
teoría del color de los quarks, para unificar también a la fuerza
nuclear fuerte. Desde hace tiempo, el objetivo ha sido unificar a todas
las fuerzas en una sola, a través de las Teorías de Gran
Unificación (TGU), pero no ha sido posible.
La presencia de las
“fuerzas” se manifiesta en los campos: gravitacional,
electromagnético y nuclear (fuerte y débil). Las interacciones
ocurren a través del intercambio de partículas asociadas con cada
campo. En el caso electromagnético los responsables de las interacciones
son los fotones, es decir, la radiación electromagnética como la
luz. En el caso de la gravedad son las ondas gravitacionales.
La
gravitación, no obstante haber sido conocida mucho tiempo ha, y
ampliamente estudiada, es tal vez la menos entendida de las fuerzas de la
naturaleza.
Faltaba incluir a la gravedad
En la Teoría Especial de la Relatividad (TER),
propuesta por Einstein en 1905, la gravedad no había sido tomada en
cuenta, de hecho no se consideraba la aceleración de los cuerpos. Esto
era porque, la TER es una teoría restringida a marcos de referencia
locales, por eso se llama especial o restringida. Un marco local de referencia
significa basarse en sistemas inerciales. Pero en el universo no existen
sistemas inerciales, esa es una simplificación. Para considerar un marco
no-local, esto es, sistemas no-inerciales, era necesario generalizar la
teoría. Por ello, en noviembre de 1915, Einstein propuso su Teoría
General de la Relatividad (TGR).
La TGR es una teoría de la
gravitación. En relatividad todas las formas de energía son
equivalentes a la masa, de manera que, de acuerdo a la TGR, la gravedad debe
contener a todas las formas de energía como fuentes del campo
gravitacional.
El espacio-tiempo es curvo
Einstein introdujo el concepto de espacio curvo y, la TGR
es, entonces, una teoría geométrica de la gravitación o
geometrodinámica. El espacio curvo es lo que permite explicar a la
gravedad. Esta no ocurre porque sea una “fuerza” que nos jala. Se
dice, por ejemplo, que el peso de los cuerpos se debe a que la gravedad
“jala”, a esos cuerpos, hacia el centro de la Tierra y, eso, es lo
que nos mantiene unidos a la superficie terrestre en vez de andar
“flotando” por los aires sin control. Eso es parcialmente cierto.
Pero no es que exista esa fuerza que nos “jala”. Lo que ocurre es
que los cuerpos, debido a su masa, curvan el espacio y eso da lugar a diferentes
manifestaciones incluida la percepción del peso de los
cuerpos.
Desde Copérnico, Galileo y Kepler se sabe que la Tierra
gira alrededor del Sol. Antes de Einstein se creía que los planetas
giraban alrededor del Sol debido a la “fuerza” gravitacional que el
Sol ejercía sobre los distintos cuerpos planetarios. Pero lo que ocurre
es que el Sol, que tiene una masa enorme comparada con los planetas,
“deforma” al espacio, lo curva, precisamente debido a su gran masa.
El espacio “deformado” obliga a los planetas a girar alrededor del
Sol.
La TGR describe la deformación del espacio-tiempo creada por
el Sol y cualquier otro objeto masivo, como una estrella en explosión o
un agujero negro.
La gravedad desvía a la luz
Uno de los experimentos que Einstein
propuso para apoyar su teoría consiste en medir la desviación de
la luz por un cuerpo masivo como el Sol.
Todo empezó al imaginar
qué pasaría si el Sol desapareciera súbitamente. De acuerdo
a Newton, se sentiría la pérdida inmediata de la gravedad del Sol.
Pero, de acuerdo a Einstein, eso no ocurriría instantáneamente
porque las interacciones instantáneas, a velocidad infinita, no son
posibles. Las únicas interacciones posibles son finitas y tienen
como límite la velocidad de la luz.
La distancia de la Tierra al
Sol es aproximadamente de 150 millones de kilómetros y la velocidad de la
luz es de 300 mil kilómetros por segundo. Dividiendo la distancia entre
la velocidad resulta que la luz que sale del Sol tarda en llegar a la Tierra 8
minutos. Entonces, la Tierra tardaría ese tiempo en responder a la
“´súbita” desaparición del Sol, no antes porque
nada hay más rápido que la velocidad de la luz.
Como la
gravedad no es la que empuja a la Tierra alrededor del Sol sino que éste
deforma al espacio alrededor de él, es el espacio curvado el que hace
mover a la Tierra alrededor del Sol. Lo mismo ocurre con la luz, ésta es
desviada al pasar cerca de un cuerpo masivo como consecuencia de la
deformación del espacio creada por ese objeto de gran masa.
El 19
de mayo de 1919, hubo dos eclipses de Sol visibles en el norte Brasil y en la
costa oeste de Africa. En Sobral, Brasil, y en la Isla Príncipe, el
eclipse fue observado no obstante que, en el sitio africano llovió
escasos minutos antes. Allí estuvo Arthur Eddington quien tomó
algunas fotografías y midió la desviación de la luz al
pasar cerca del Sol.
Observando la posición de una estrella,
resultaba que ésta se veía en dos posiciones como si se moviera.
En realidad la estrella tenía la misma posición pero, debido a que
el Sol distorsiona el espacio, la estrella parecía moverse. Se
comprobó, entonces, que el Sol podía desviar a la luz como lo
había predicho Einstein. Eddington presentó su informe a la Real
Academia de Ciencias de Inglaterra. Al siguiente día, Einstein
entró a la celebridad. El 7 de noviembre de 1919, el diario Times
publicó en sus titulares “Revolución en la ciencia”,
“Nueva teoría del universo”.
El colapso de las estrellas
Cuando un cuerpo tiene una masa muy grande, como las
estrellas masivas, al evolucionar aumenta su densidad. Los cuerpos muy densos
deforman completamente al espacio, lo “desgarran” y se dice que
colapsan. El espacio-tiempo de esos objetos forma un agujero negro que,
debido a su gran densidad, absorbe todo incluso a la luz y nada puede
escapar.
Actualmente se sabe que en el universo existen muchos agujeros
negros, los que no se ven pero su existencia se conoce por sus efectos
gravitacionales. En el centro de las galaxias se considera que existen las
condiciones adecuadas para la presencia de agujeros negros masivos.
El
colapso surge de las soluciones a las ecuaciones de Einstein. Se han propuesto
varios conceptos respecto del colapso. Este ocurre como resultado de la fuerte
deformación del espacio-tiempo pero no se conoce cuál es la
naturaleza de un agujero negro, no se sabe de qué está hecho.
Algunas teorías consideran que los agujeros negros son parte de la
llamada materia oscura, de la cual también se desconoce su
naturaleza.
Se ha llegado a pensar que, los agujeros negros
podrían conectarse a través de “puentes” que
podrían llevar a “otro lugar” en el mismo universo e,
incluso, a “otro” universo.
El universo está en expansión
Si los cuerpos como el Sol, o las estrellas
colapsantes al formar un “colapsar” o agujero negro, deforman al
espacio-tiempo se puede pensar que el universo mismo es el resultado de un
espacio y tiempo curvos.
Hubo dos importantes acontecimientos a
principios del siglo XX. Uno, fue en la Rusia soviética, en 1919.
Alexander Friedmann, notable matemático, al resolver las ecuaciones de
Einstein encontró que describían un universo en movimiento.
Inicialmente, esa idea fue rechazada por el propio Einstein quien creía
en un universo estático, sin movimiento. Pero las soluciones a sus
ecuaciones indicaban lo contrario. Entre las diversas soluciones están,
también, las realizadas por Willem de Sitter (1917) y de George
Lemaître (1927) ésta última referida a un universo en
expansión.
En 1929, Edwin Hubble, astrónomo norteamericano
había observado en el Observatorio de Monte Wilson que las galaxias
parecían alejarse de nosotros. Hubble estableció, incluso, una ley
que lleva su nombre. Esa fue la evidencia observacional sobre el descubrimiento
más importante de los últimos 100 años: la expansión
del Universo predicha por la Teoría General de la Relatividad de
Einstein.
Cuando en 1930 Einstein fue invitado por Hubble a Monte
Wilson, el maestro observó emocionado ese movimiento de las galaxias que
sugería la expansión del Universo resultante de sus ecuaciones,
movimiento que él mismo había negado. “Ha sido el más
grande error de mi vida”, dijo con sencillez el maestro, en una
conversación con George Gamow, al reconocer que su Universo, nuestro
Universo, está en movimiento y en expansión.
Geodésicas de espacio-tiempo
En la TER un observador hace mediciones en 4
dimensiones asignando coordenadas, se dice que el espacio-tiempo es una
variedad cuadri-dimensional de eventos, el espacio-tiempo es
plano; en TGR siguen existiendo las 4 dimensiones del espacio-tiempo pero ya
NO existen coordenadas preferidas, el espacio-tiempo es curvo. En TER
existen observadores privilegiados, los observadores situados en sistemas de
referencia inerciales, en TGR no existen sistemas inerciales. En ambos casos,
sin embargo, se postula que las leyes de la física son las mismas en
sistemas inerciales y no inerciales. Esto se llama el Principio de Equivalencia,
y tiene su origen en la equivalencia de inercia y masa gravitacional.
En
TGR el movimiento de una partícula se parametriza mediante una curva
llamada geodésica, es decir, una partícula de prueba se
mueve a lo largo de una geodésica de espacio-tiempo. En TER, las
geodésicas son líneas rectas de cuatro dimensiones. Localmente,
una geodésica aparece como línea recta pero, a gran escala, domina
la curvatura del espacio-tiempo. Este efecto de la geometría sobre la
materia se conoce como gravitación. Por su parte, la materia deforma a la
geometría.
Es por ello que, a la TGR, se le conoce como una
teoría geometrodinámica ya que, en breve descripción, el
espacio actúa sobre la materia diciéndole como moverse y, en
turno, la materia reacciona sobre el espacio diciéndole como curvarse.
Las ecuaciones de la teoría de gravitación de Einstein describen
los efectos de la gravedad en términos de un espacio-tiempo curvo y
establecen una relación proporcional entre la curvatura del
espacio-tiempo y la distribución de materia.
Las ecuaciones de la
TGR son llamadas ecuaciones de campo, también conocidas como
ecuaciones de Einstein y están expresadas en cálculo de
tensores o en cálculo de variedades, nuevas
matemáticas que surgieron con el desarrollo de la
física-matemática y las contribuciones previas de Nicolai I.
Lobachevsy, Karl F. Gauss, Marcel Grossmann y George F.B. Riemann, entre otros
matemáticos.
Las ecuaciones del campo gravitacional son
más complicadas que las del campo electromagnético. Al resolverlas
se obtienen diversas soluciones. Las ecuaciones de Einstein rigen el movimiento
de los planetas en el sistema solar, la desviación de la luz por el Sol,
el colapso de una estrella para formar un agujero negro, determinan la
geometría del espacio-tiempo de los agujeros negros, la expansión
del universo y más, mucho más.
El Universo obrero
Para los trabajadores de la energía, los conceptos
de la Teoría General de la Relatividad y sus consecuencias, son del
más alto interés en la medida en que somos partícipes de un
proceso de trabajo, el energético, que implica a la fuerza
electromagnética, a los electrones y la luz, pero también a las
fuerzas nuclear fuerte y débil, y a la fuerza
gravitacional.
Siendo parte de la clase obrera del mundo, los conceptos
de espacio-tiempo, materia y energía, y sus implicaciones son motivo de
reflexión en el espacio del saber obrero y en el contexto del
Universo Obrero cuyo pensamiento clásico tiene especiales
connotaciones filosóficas proletarias.
El movimiento es un
concepto asociado a la materia, el movimiento es una de las propiedades de la
materia pues No existe movimiento sin materia, escribió Lenin. La
expansión del universo es el reconocimiento de estos conceptos.
Más aún, ese movimiento existe independientemente de nosotros,
fuera de nuestra conciencia. Ese movimiento, la existencia y expansión
del universo, ha ocurrido mucho antes de la existencia humana y, más
aún, de la existencia de la conciencia. Tal movimiento seguirá
existiendo después de la vida, por lo menos, la conocida en el Sistema
Solar. ¿Eso quiere decir que, alguna vez, desaparecerá la vida?
Sí, desde los mayas mexicanos se sabe que el Sol es finito y la Tierra,
con sus habitantes, también. Pero, esa “alta
floración”, como le llamó Engels a la vida, resurgirá
otra vez en otro tiempo y otro lugar.
¿Cómo es, entonces, el
universo? ¿Es finito o infinito? ¿Es abierto o es cerrado? Einstein
postula un universo en expansión con características de
finitud pero es un universo que se expande cada vez más y es
plano considerado a gran escala. Por el momento, hay quienes se inclinan
por una descripción de universo conocida como Quintaesencia.
¿Hay, sin embargo, otros Universos? Si podría haberlos. Se ha
postulado un Universo hecho de cuerdas (y supercuerdas) cósmicas y
otro de texturas cósmicas. También podría haber
Universos paralelos.
Se piensa, incluso, que el Universo, nuestro
Universo, es solamente uno entre muchos, tal vez el más probable pero
podrían existir Universos de burbujas, Universos múltiples, y
Universos pulsantes, es decir, Universos que no tienen principio ni fin, que se
contraen y expanden sucesivamente, pulsando como un corazón y
extendiéndose como un fractal.
Referencias
Bahen D. 2003, General Theory of
Relativity, UK.
Bahen D. 2003, Geometrodynamics,
UK.
Albert Einstein archives, The Jewish National
& University Library,
The Hebrew
University of Jerusalem. www.albert-einstein.org
Engels F. 1978, Dialéctica de la
Naturaleza, Grijalvo.
Hey T., Walters P. 1997, Einsteins´s
Mirror, Cambridge.
Kinney A., White N., Wanjek C. 2005,
Beyond Einstein, en Astronomy 33 (10), 52.
Lenin V.I. 1980, Materialismo y
Empiriocriticismo, Obras Completas, T.14, Ed. Allende.
Misner Ch. W., Thorne K.S., Wheeler J.A.
1973, Gravitation, Freeman.
******
Cúmulo de
galaxias Abell 1689 ubicado a 2 mil 200 millones años-luz lejos de
nosotros.
Cuando la luz
que ahora vemos salió de esa región, el planeta Tierra
tenía apenas la
mitad
de su actual edad. El
hombre todavía no existía sobre la Tierra. La gravedad de este
cúmulo deforma al
espacio, el cúmulo actúa como una lente (gravitacional)
distorsionando a las
galaxias más distantes en objetos como arcos.
Albert Einstein
observando en Monte Wilson con el telescopio de 100 pulgadas.
Mientras, Edwin Hubble
fuma su pipa. El Universo está en expansión.
Comisión de Energia
