Dentro de la historia de las grandes ideas de la humanidad, la teoría de la relatividad general (RG) de Albert Einstein tiene un papel predominante y no es para menos. A 100 años de su formulación, sigue siendo uno de los dos pilares de la física contemporánea.
Darle la vuelta a los problemas de la física
Predecir la evolución espacio-temporal de cualquier objeto fue un problema histórico en la física, que encontró resolución con las bases del determinismo y la causalidad de las tres famosas Leyes de Newton en 1687,
Como con las leyes de Newton quedaba determinada de forma correcta la mecánica celeste y terrestre es decir la del universo, Los físicos supieron que su labor estaba finalizada. Bastaba tomar tales leyes matemáticas, resolverlas (aunque esto no es tan sencillo) y determinar así la mecánica del objeto hacia el futuro o el pasado.
Por siglos se pensó que el objetivo de la física estaba concluido, pero no era así porque las Leyes de Newton se aplican solo para velocidades y distancias locales, es decir, sensibles a nuestra percepción, pequeñas comparadas con la de la luz y a tamaños macroscópicos donde aplica la ley de la inercia, en los sistemas llamados inerciales.
La mecánica newtoniana presuponía ciertos fundamentos: la gravedad es una fuerza: los fenómenos físicos ocurren en el espacio que tiene una geometría euclidiana; el espacio resulta ser el telón de fondo de todos los procesos físicos y éstos siempre respetan las leyes de la físicas; las observaciones varían dependiendo del estado de movimiento de los observadores; si dos observadores inerciales distintos describen el mismo fenómeno, por medio de las transformaciones clásicas de suma y resta de velocidades y distancias (llamadas de Galileo) se encuentra la equivalencia entre ambos observadores.
Sin embargo, surgió un gran problema (de hecho fueron muchos, como los experimentos de Michelson y Morley, el efecto fotoeléctrico, la cuestión del efecto instantáneo de la gravedad, etc): era imposible aplicar las transformaciones de Galileano (coherente con la mecánica newtoniana) a las ecuaciones del electromagnetismo recién formuladas en 1865 por Maxwell. La solución a esto fue formulada por Albert Einstein en 1905 en su teoría de la relatividad especial al formular unas transformaciones (de Lorentz) más generales que actúan sobre el espacio-tiempo. Para saber a qué se refiere esta teoría, sigue este enlace.
Física y geometría; espacio-tiempo y materia
La relatividad especial tenía la limitante de solo aplicar para observadores inerciales. Fueron 10 años los necesarios para que Einstein lograra generalizar los resultados a observadores arbitrarios y lo enunciará en su Teoría General de la Relatividad publicada el 25 de noviembre de 1915, en plena primera guerra mundial. Veamos cual es la base de la RG.
El acierto de Einstein fue cuestionar la elección de geometría sobre la que se desarrollaban todas las teorías, en vez de “parchar” o modificar las leyes de la física. Se necesitaba considerar el espacio y el tiempo no de forma separada, sino como componentes de un espacio cuatridimensional con la diferencia de que la componente temporal debe cumplir el principio de causalidad.
- Con esta teoría, muchos de los fundamentos antes supuestos fueron derrumbados o reconfigurados. En cambio, Einstein postuló otros fundamentos menos intuitivos: la geometría del espacio no tiene por qué ser euclidiana, de hecho, la geometría del espacio es riemanniana; la velocidad de la luz en el vacío es constante e invariante entre observadores arbitrarios.
- La RG está sintetizada en las ecuaciones de campo (escritas en la imagen que antecede este texto). Se trata de 10 ecuaciones acopladas con muchas incógnitas que al resolverse, se encuentran las ecuaciones de movimiento que son una nueva formulación mucho más general y adecuada que la versión de Newton. Incluso, en el caso de ausencia de fuerzas, las ecuaciones de Einstein se reducen a la primera ley de Newton.
- Para la relatividad general, la materia interactúa con el espacio-tiempo y lo modifica. A la vez, el espacio-tiempo afecta a la materia. Es decir, “la materia le dice al espacio-tiempo como curvarse y ese espacio curvo le dice a la materia como moverse”. Estamos hablando de una equivalencia y relación intrínseca dialéctica entre la materia y el espacio-tiempo.
La RG superó las concepciones estáticas del universo y mostró que la materia es algo real, tan real que hace que el espacio cambie. Depende del estado de movimiento del observador la percepción de las nociones de intervalos de tiempo y distancias.
En ese sentido, la RG plantea al espacio-tiempo como una superación dialéctica que, a pesar de ser poco intuitivo, resuelve y propone una nueva forma de concebir al espacio y al tiempo como una unidad íntimamente ligada a la materia y energía que está en él y se desenvuelve satisfaciendo las ecuaciones de Einstein.
Alcances
Sin embargo, las ecuaciones de Einstein son tan complicadas que existen pocas soluciones válidas conocidas y muchas de ellas se encuentran por métodos numéricos no exactos.
La búsqueda de soluciones a las ecuaciones de Einstein ha arrojado insospechadas nuevas teorías sobre el universo y la materia. En las últimas décadas, la física ha tenido un desarrollo descomunal en áreas como la cosmología, las teorías de campos, la electrodinámica; pero también ha predicho la existencia de agujeros negros, el big bang, la evolución del universo y hasta la propuesta de la existencia de ondas gravitacionales, gravitones y materia oscura.
A día de hoy, casi la totalidad de la comunidad científica considera que la RG es una interpretación correcta de la realidad observada y ha sobrevivido y salido bien parada de un siglo de intentos de mejorarla, corregirla o cambiarla.
Aunque las teorías son sólo modelos de la realidad que utilizan las más refinadas herramientas matemáticas y enuncian de la forma ms arbitraria posible juicios subjetivos para encontrar un esperado orden del universo, a cien años de su formulación, la RG sigue siendo la teoría más adecuada para entender al universo, su evolución y sus interacciones, y esto para la historia de la ciencia y de la humanidad, ya es mucho que decir.
Mariana Lira
Agustín Sánchez
No hay comentarios.:
Publicar un comentario