mercredi 30 décembre 2015

Albert EINSTEIN∕100 años de la Teoría de la Relatividad General

100 años de la Teoría de la Relatividad General
EL CULTURAL

El 25 de noviembre de 1915, Einstein presentaba ante la Academia Prusiana de las Ciencias su Teoría de la Relatividad General. El artículo era un prodigo de la mente humana que cambiaba el rumbo de la ciencia. Con motivo de su centenario, el académico y catedrático de Historia de la Ciencia José Manuel Sánchez Ron, que publica Albert Einstein, su vida, su obra y su mundo (Editado por Crítica y Fundación BBVA) coincidiendo con el aniversario, y José M. Martín Senovilla, catedrático de Física Teórica de la Universidad del País Vasco, analizan la importancia del hito. Además, siete investigadores escriben sobre los desafíos surgidos a raíz de aquellas históricas ecuaciones.

Una magna formulación
Por José Manuel Sánchez Ron

Con motivo del centenario de la Teoría de la Relatividad General, el académico y catedrático de Historia de la Ciencia José Manuel Sánchez Ron, que publica Albert Einstein, su vida, su obra y su mundo (editado por Crítica y Fundación BBVA), analiza la importancia histórica de la formulación.

La historia de la ciencia no es parca en logros extraordinarios, en innovaciones (descubrimientos experimentales y construcciones teóricas) que no habían soñado las generaciones precedentes. De toda esa pléyade de novedades, sobre las cuales se asienta la historia de la humanidad, una destaca como la más original e insospechada: la Teoría de la Relatividad General, de cuya presentación definitiva se cumple este mes un siglo. El 25 de noviembre de 1915, en efecto, Albert Einstein ponía fin a una búsqueda de una teoría relativista (esto es, que fuese compatible con los requisitos de la Teoría de la Relatividad Especial que había producido en 1905) de la interacción gravitacional que había comenzado en 1907: aquel día presentó a la Academia Prusiana de las Ciencias un artículo titulado "Las ecuaciones del campo gravitacional", que se publicó el 2 de diciembre, en el que se encuentran las leyes con las que aún hoy describimos los fenómenos gravitacionales. Y esto incluye no sólo movimientos como los de los planetas del sistema solar, sino también la propia estructura del Universo, en el que impera la fuerza gravitacional; de hecho, enseguida, en 1917, el propio Einstein fundó la cosmología relativista, que en su momento proporcionó el marco teórico para entender el descubrimiento, observacional (Edwin Hubble, 1929), de la expansión del Universo.

Todo esto es maravilloso, pero ¿no son también extraordinarios, por ejemplo, la capacidad explicativa del cálculo infinitesimal, inventado por Isaac Newton y Gottfried Leibniz en el siglo XVII, la Teoría de la Evolución de las Especies que presentó Charles Darwin en su inmortal El origen de las especies de 1859, o la mecánica cuántica de Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger (1925, 1926), sobre la que se asienta nuestra civilización actual? Fenomenales como son estas construcciones del pensamiento, hay algo que las distingue de la Relatividad General. El mismo hecho de que la invención del cálculo infinitesimal se debiese, independientemente, a dos personas, Newton y Leibniz, nos indica que "estaba en el ambiente"; aunque de una forma menos elaborada, Alfred Russel Wallace llegó al mismo tiempo que Darwin a sus mismas ideas; y la mecánica cuántica fue, en realidad, un producto comunal en el que participaron durante un cuarto de siglo muchos físicos. Pero hay aún más. Nadie había pensado en el tipo de estructura en que se basa la Relatividad General, hasta tal punto que es difícil imaginar que algún otro científico hubiese producido el tipo de teoría a la que llegó Einstein. ¿Y cuál es esa estructura? Hasta la Relatividad General, todas las teorías de la física utilizan un marco geométrico, un "espacio", que no depende de lo que contenga, de su contenido energético-material. El espacio -de hecho, el espacio-tiempo, pues ambos, espacio y tiempo se hermanan en una unidad indisoluble- de la Relatividad General sí depende de ese contenido, y como éste varía (los cuerpos se desplazan, las energías son cambiantes), la geometría del espacio-tiempo no puede ser fija. Afortunadamente, en la época de Einstein ya se disponía del instrumento adecuado para dar cabida a semejante característica: las geometrías no euclidianas (esto es, curvas), desarrolladas en el siglo XIX por Gaus, Lobachevskii y Bolyai, que sistematizó Riemann en 1854. Todavía hoy, salvo la Relatividad General, todas las teorías de la física se basan en marcos geométricos "estables".

Dije antes que fue en 1907 cuando Einstein comenzó a plantearse el problema de construir una teoría de la interacción gravitacional que fuese compatible con la Relatividad Especial (la teoría que Newton formuló en 1687 no lo era), pero ¿es posible decir algo más sobre aquel origen? Sí, y sorprende su sencillez y ambición, pues los pilares que Einstein estableció entonces fueron dos, que podemos entender bien: (1) la inexplicada igualdad en la mecánica de Galileo-Newton de la masa inercial y la gravitacional (la primera expresa la resistencia de un cuerpo a abandonar el movimiento inercial de reposo o de movimiento uniforme, la segunda, la reacción ante la fuerza gravitacional), que le dio la pista para establecer lo que denominó "principio de equivalencia", que equiparaba fuerza gravitacional y sistemas de referencia acelerados; (2) el deseo de generalizar el "principio de relatividad" que utilizó en la Teoría de la Relatividad Especial: ¿por qué limitarse a exigir que las leyes de la física fuesen independientes del sistema de referencia inercial, y no a cualquier sistema de referencia, independiente de su movimiento? Con aquellos pilares, y tras vencer grandes obstáculos y seguir caminos equivocados, llegó a la magna formulación de noviembre 1915.

Aceptamos o rechazamos las teorías científicas por su capacidad de "explicar" los fenómenos que observamos. En el caso de la Relatividad General, las primeras predicciones que se podían a someter a pruebas fueron tres (décadas más tarde, con el desarrollo tecnológico, llegaron otras): la del movimiento anómalo del perihelio de Mercurio (lo que la teoría ensteiniana predecía se ajustaba a lo ya conocido, inexplicado con la teoría newtoniana); la del desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales; y la de la curvatura de los rayos de luz debido a un campo gravitacional. La comprobación de esta última predicción la llevó a cabo en 1919 una expedición británica, utilizando un eclipse de Sol. La noticia se hizo pública el 6 de noviembre, e inmediatamente los periódicos se hicieron eco de ella, haciendo de Einstein un personaje de renombre universal, posición que nunca abandonaría y que continúa ocupando cuando se cumplen sesenta años de su muerte.

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¿Qué es la Relatividad General?
Por José M. Martín

Con motivo del centenario de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, José M. Martín Senovilla, catedrático de Física Teórica de la Universidad del País Vasco, reflexiona sobre la relevancia histórica de la formulación del físico alemán.
Parafraseando a Leibniz, dispongo de varias respuestas. Podría citar a Max Born ("el mayor hito del pensamiento humano acerca de la naturaleza") o Paul Dirac ("probablemente, el mayor descubrimiento científico de todos los tiempos"), ambos laureados con el Nobel de Física, pero esto no satisfará la curiosidad de los lectores.

Permítanme que empiece diciendo lo que no es: ninguna relación con el relativismo filosófico, doctrina resumida en la sabiduría popular con un "todo es relativo". ¡No! La Relatividad General es una rama de la Física. Desvelado el infortunado equívoco, lo que sí es: una teoría de la gravedad, ese fenómeno físico cotidiano de todo conocido. La mejor que hemos sabido construir.

¿Por qué el inusitado interés acerca de la gravedad y su descripción física? Puede que ustedes no estén al tanto, pero el 25 de noviembre es una fecha señalada. No sólo, que también, porque en 1960 acaecieron los asesinatos de las hermanas Mirabal -razón por la que en tal fecha se celebra el día internacional para la eliminación de la violencia contra la mujer-, sino porque en ese día de 1915, jueves, Albert Einstein publicó las ecuaciones definitivas de la teoría. Eran días convulsos de guerra, el New York Times titulaba: "Grecia accede a las exigencias de los aliados" (parece que el tiempo no pase...). El caso es que en 2015 se cumple el centenario de la teoría.

La Relatividad General es una teoría extraordinaria, construida por el puro intelecto sin poder inspirarse en ningún hecho experimental no explicado previamente, y por ello adelantada un siglo, quizás más, a su debida época. Basada en la unificación del espacio y el tiempo de su antecesora la Relatividad Especial -ya lo intuía Cervantes: "en un lugar... no ha mucho..."-, se erige sobre lo que Einstein mismo consideró la idea más feliz de su vida (¡hala!): el principio de equivalencia.

Viene a decir este principio: las aceleraciones que experimentamos cuando damos una curva, o si el conductor pega un frenazo, son indistinguibles de la atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre nosotros. ¿No han notado cómo, si un tren se acelera o frena, caminar sobre el vagón es tan difícil como subir una pendiente, o tan peligroso como bajar una ladera empinada? Pues eso. Claro está, el tren puede pararse, o mantenerse con velocidad uniforme, y tales impresiones desaparecen. ¿Pasa lo mismo con la gravedad? Aquí la intuición del genio: sí, basta con ponerse en caída libre, y ¡no sentiremos nuestro propio peso! Uno puede subirse a una báscula para después lanzarse por la ventana con ella... que dejará de marcar el peso (hasta el porrazo con el suelo).

Actualmente, abundan los vídeos mostrando cómo los astronautas de la Estación Espacial Internacional (ISS), que está en órbita de la Tierra -es decir, en caída libre-, viven en un entorno de ingravidez. En resumidas cuentas, la gravedad es un fenómeno escurridizo, localmente inexistente si estamos en caída libre. Estarán pensando: una teoría de la gravedad en la que ésta parece ser una ilusión. Chocante. Mas, atención. Como escribió Einstein en una carta a Sommerfeld: "De la Relatividad General se convencerá en cuanto la hubiere estudiado; por tanto, no la defenderé con la más mínima palabra". Estudiémosla.

La implicación más profunda del principio de equivalencia es la geometrización de la gravedad. Las masas deforman la geometría a su alrededor. Así, las trayectorias de los cuerpos "se tuercen" debido a la curvatura del espacio-tiempo. Siendo cierto que en la ISS se vive en estado de ingravidez (local), también lo es que cada hora y media vuelve al mismo punto del espacio (efecto no local debido a la curvatura que la Tierra produce). La Tierra misma nota la curvatura provocada por el Sol (y la Luna) con las mareas, o mediante la repetición de las estaciones debida al paso por los mismos lugares orbitales cada año. En breve: aunque la gravedad puede considerarse localmente una ilusión, se manifiesta como una entidad real no localmente a través de la curvatura del espacio-tiempo. De su forma.

Las ecuaciones matemáticas que cumplen un siglo describen con precisión cómo una distribución de materia crea la curvatura/gravedad a la par que ésta gobierna el movimiento de la materia. ¡Ajá!, y si se retira todo lo material del Universo, ¿qué queda? Uno podría responder: el espacio y el tiempo. En realidad, no queda nada. El espacio-tiempo es una mera manifestación de la existencia de cosas. Sin éstas, aquél no tiene forma, no existe (Leibniz dixit). Ese es, sucintamente, el contenido sustancial de las ecuaciones de la Relatividad General; una relación íntima, aglutinadora, entre la geometría del espacio-tiempo y la materia. Pero, ¿cuál fue la repercusión de la teoría?

La física se vanagloria de su capacidad de predicción. La Relatividad General predijo fenómenos insospechados, por ejemplo que la luz se desvía al pasar cerca del Sol (¡geometría!), o que el tiempo transcurre a diferente ritmo según la altura sobre la Tierra, ambos medidos con cierta precisión en los albores de la teoría. No obstante, los efectos son tan diminutos que, después de una infancia asombrosa, la Relatividad General pasó a ser el "patito feo" de la familia de teorías físicas: un alarde intelectual sin apenas consecuencias observables. Por ello vivió una juventud difícil, menospreciada por muchos, hasta que alcanzó la madurez, las técnicas experimentales se refinaron, el patito feo devino "cisne" y pasó a ser admirado, hasta la adoración, por todos. De tal manera, los fenómenos mencionados pasaron a ser herramientas indispensables para la ciencia, la técnica y hasta los artefactos de uso diario. La desviación de la luz es la base de las medidas basadas en lentes gravitatorias, que permiten conocer la distribución de masa en objetos distantes y enormes tales como cúmulos de galaxias, cimentando en particular la idea de que existe mucha materia oscura en el Universo. El transcurso irregular del tiempo a diferentes alturas de la Tierra afecta a la sincronización de los relojes en la constelación de satélites responsables del funcionamiento del GPS (sí, esos aparatos). Sin conocer la teoría, éstos no funcionan.

De hecho, se puede dar una larga lista de consecuencias experimentales inexplicables sin la Relatividad General. A título de ejemplo: la Cosmología, que describe la historia, evolución y composición del Universo, incluyendo su expansión, actualmente acelerada. Los púlsares, estrellas de neutrones muy compactas, con masas mayores que la del Sol pero radios de apenas unos kilómetros. Más compactos aún, los agujeros negros, objetos fascinantes por sus propiedades y su simplicidad, ubicuos en el Universo: parece que existe uno gigante en el centro de cada galaxia respetable. (La Vía Láctea tiene el suyo, "nuestro agujero negro": Sagitario A* se llama esta simpática mascota de millones de masas solares). En fin, las ondas gravitatorias, remedos gravitacionales de las ondas de luz, tan débiles que aún no se han podido detectar directamente (tenemos “ceguera gravitatoria”) a pesar de tremendos esfuerzos materiales y espirituales, pero sí indirectamente por sus consecuencias en sistemas de dos astros, uno de ellos púlsar. Todo lo cual ha traspasado la frontera de la cultura científica y permeado la jerga habitual: Big Bang, agujero negro, energía oscura,...

¿Alguien da más? Ejem..., subsiste un misterio que rodea a la teoría: su manifiesta incompatibilidad, casi "repugnancia" mutua, con la rama de mayor éxito de la física, la cuántica, sin la que tampoco se puede entender el Universo ni la mayoría de los fenómenos. Es un rompecabezas persistente cuya solución carece de pistas fiables aún (mi opinión). Sin embargo, dado que la Relatividad General se adelantó 100 años a su lógico nacimiento, es posible que estemos, por fin, en disposición ideal para atacar este enigma. En ello estamos. Al fin y al cabo, los investigadores alimentamos el instinto de saber intentando engrandecer el patrimonio intelectual de la humanidad. Dimos un paso gigante hace un siglo que nos enorgullece. Preparémonos para el siguiente salto con determinación. Como se sabe, 100 años no son nada.

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Las claves del universo

Observar las ondas gravitacionales
Alicia Sintes / Profesora de Física Teórica. Universidad de las Islas Baleares.

La existencia de las ondas gravitacionales fue predicha por Einstein mediante el estudio de fenómenos en el marco de su teoría de gravedad linealizada. En un principio se cuestionó si éstas describían fenómenos físicos reales o simplemente eran efectos de coordenadas, pero ya en la década de los sesenta se comprendió su naturaleza física. Según esta teoría, cualquier masa acelerada de forma no esféricamente simétrica produce un cambio en el campo gravitatorio que se propaga en el universo a la velocidad de la luz. Justamente las ondas gravitacionales son estos cambios en el espacio-tiempo. Pero debido a que la gravedad es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales, las ondas gravitacionales son sumamente pequeñas, cosa que ha imposibilitado hasta ahora su observación directa. Se espera que los experimentos Advanced LIGO, que ya están tomando datos (y en un futuro Virgo, KAGRA y la misión espacial eLISA), lograrán con el tiempo los niveles de sensibilidad que nos permitirá “oír” y comprender los fenómenos astrofísicos más energéticos de las profundidades del universo.

De Einstein a Hawking, una cuestión de conviviencia
José Navarro-Salas / Catedrático de Física Teórica de la Universidad de Valencia y miembro del IFIC.

Cien años después del nacimiento de la Relatividad General de Einstein su convivencia con la Teoría Cuántica continúa siendo problemática. La Relatividad Especial y la Teoría Cuántica se conciliaron en la electrodinámica cuántica. Iniciada por Dirac y desarrollada entre otros por Feynman y Schwinger, constituye la teoría científica con mayor acuerdo experimental. El problema que resolvieron fue la eliminación de los infinitos que la plagaban. B. DeWitt extendió sus métodos a la Relatividad General. Pero pronto comprobó que no había manera de generar una teoría sin infinitos. L. Parker cambió la estrategia y extendió la Teoría Cuántica de Campos a un universo en expansión. Llegó a un descubrimiento sorprendente: la expansión cósmica crea partículas elementales, sobre todo en los primeros instantes del universo. S. Hawking extendió este resultado a los agujeros negros. La nueva estrategia mostraba su potencial. La expansión cósmica también crea perturbaciones de densidad de energía, efecto corroborado en medidas de temperatura del fondo cósmico de microondas. Pero el problema original de la cuantización completa del propio campo gravitatorio continúa abierto.

Materia cuántica
Guillermo Mena / Director del Instituto de Estructura de la Materia y del Centro de Física Miguel A. Catalán. CSIC.

La Relatividad General describe la gravedad como un fenómeno geométrico. La materia curva del espacio y el tiempo, y a su vez este marco espacio-temporal determina las trayectorias de la materia. Un reto de la Física es conciliar la Relatividad con los postulados cuánticos desarrollados a partir de Planck. En Teorías de Cuerdas, este reto se aborda con técnicas de Física de Partículas. Los problemas para cuantizar las interacciones locales se superan introduciendo un objeto extendido: la cuerda. Sus excitaciones proporcionan las partículas elementales. Una de estas excitaciones tiene las características de una partícula gravitatoria en un espacio-tiempo plano: el gravitón. En este sentido, Cuerdas contiene la gravedad. Frente a ello, la Gravedad Cuántica de Lazos o Relatividad General Cuántica utiliza un lenguaje geométrico más cercano al de Einstein. Persigue una cuantización de la teoría einsteiniana, sin modificarla. El énfasis se pone en cuantizar la geometría, y sin recurrir a estructuras de fondo sobre las que expandir las interacciones, como sería el espaciotiempo plano. Es esta realidad de áreas, volúmenes y trayectorias geométricas cuantizadas la que permite hacer compatible la gravedad con la Física de Planck.

El Santo Grial de los físicos
Tomás Ortín / Instituto de Física Teórica UAM / CSIC.

La Teoría de la Gravitación Cuántica es una teoría que creemos que es posible formular y que nos serviría para describir los fenómenos cuánticos en un contexto gravitacional o los fenómenos gravitacionales a escalas cuánticas. Es el ‘Santo Grial' de los físicos teóricos. Lo que creemos saber es que tiene que dar los mismos resultados que la Relatividad General cuando se aplica a los cuerpos del Sistema Solar y a los cuerpos que vemos caer cada día en el campo gravitacional de la Tierra, porque los resultados de la RG son a esas escalas magníficos. Las teorías físicas nuevas superan a las antiguas, pero, aunque sean muy diferentes, han de dar los mismos resultados allí donde aquéllas funcionaban. Hay varias propuestas de Teoría de Gravitación Cuántica. Precisamente la que utiliza más elementos de la RG (la Gravedad Cuántica de Lazos) es la que menos cumple el principio general que he enunciado. La Teoría de Supercuerdas parte de supuestos muy diferentes, pero recupera mejor la RG en los límites adecuados. También tiene sus problemas aunque nos ha dado ideas revolucionarias como la holografía.

Supercomputadores
José María Ibáñez / Catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Valencia.

Hace 50 años aproximadamente se obtuvo la primera solución numérica -mediante el uso de ordenadores- de las ecuaciones de Einstein. En 2004-2005 se consigue determinar la estructura del campo gravitatorio generado en la colisión de dos agujeros negros. Tal éxito no habría sido posible sin el desarrollo de algoritmos numéricos precisos, y sofisticados códigos (con decenas de miles de líneas) a ejecutar en los más potentes supercomputadores. Los supercomputadores son sistemas de cálculo que pueden llegar a tener cientos de miles de núcleos de cálculo. Constituyen verdaderos laboratorios virtuales en los que es posible recrear las condiciones en las que tienen lugar los fenómenos astrofísicos y cosmológicos. La Relatividad General es el marco teórico que permite analizar, mediante la simulación numérica en supercomputadores, problemas astrofísicos y cosmológicos tan complejos como, por ejemplo, la colisión de objetos compactos o la formación y evolución de agujeros negros, estrellas de neutrones, supernovas hidrodinámicas, galaxias o grandes estructuras en el Universo.

En el centro, los Agujeros Negros
Roberto Emparan / Profesor de Investigación de ICREA.
Universidad de Barcelona.

La Teoría General de la Relatividad hace dos predicciones espectaculares: la expansión del Universo y la existencia de agujeros negros. Se suele decir que el mayor error de Einstein fue no haber apreciado la primera de ellas, algo que reconoció cuando la predicción fue verificada por las observaciones de Hubble. Es mucho menos conocido que a Einstein también se le escapó la idea, mucho más sutil, del agujero negro, que no fue entendida hasta la década posterior a su muerte. La Teoría de la Gravedad de Newton predecía la existencia de “estrellas oscuras”. Éstas, sin embargo, no serían más que estrellas muy masivas, muy distintas a los agujeros negros de la teoría de Einstein, que están hechos de espacio y tiempo tremendamente distorsionados. Hoy en día, los agujeros negros se consideran los objetos más básicos de la teoría de la gravedad de Einstein y juegan un papel central en cualquier investigación de dicha teoría.

Sistemas de simulación
Luis J. Garay / Profesor de Física Teórica de la Universidad Complutense de Madrid.

Dada la dificultad experimental de manipular objetos con campos gravitatorios intensos, se ha realizado recientemente un esfuerzo para construir sistemas en el laboratorio que se comporten como agujeros negros, con radiación de Hawking. En estos sistemas, el sonido desempeña el papel de la luz. La teoría se ha desarrollado durante los últimos treinta años y ya se han hecho experimentos en los que se han construido agujeros negros acústicos y se ha observado la diminuta y elusiva radiación de Hawking (en su versión acústica). Otro asunto distinto es simular en el laboratorio la teoría completa de la Relatividad General de Einstein, la propia dinámica del campo gravitatorio (gobernada por las ecuaciones de Einstein) y, de hecho, existen evidencias de que no es posible llevar a cabo dicho proyecto en los materiales conocidos actualmente.

Ilustración: Raúl Arias

Articulo : http://www.elcultural.com/06∕11∕2015