En 1915, Albert Einstein enunció su Teoría de la Relatividad General, una nueva teoría de la Gravitación que vino a sustituir a la de Newton aportando una visión completamente revolucionaria del Universo. En la visión de Einstein, la materia, el espacio y el tiempo son tres elementos interconectados entre sí: la gravedad puede ser interpretada como una curvatura del espacio. En el espacio-tiempo la luz se mueve a velocidad constante describiendo trayectorias curvas según es desviada por la presencia de cuerpos materiales.
La Teoría de la Relatividad resolvió elegantemente los problemas de la física clásica y realizó otras sorprendentes predicciones (como la curvatura de la luz en un campo gravitatorio) que fueron comprobadas experimentalmente de manera espectacular. Gracias a esta nueva teoría, el Universo pasó a describirse como un todo mediante una serie de ecuaciones que describen la íntima imbricación del espacio, el tiempo y la materia.
El fin de la Física
A finales del siglo XIX el éxito de la Física era tan grande que ésta parecía una ciencia prácticamente terminada. A la teoría de la gravitación universal de Newton se había sumado la mecánica racional desarrollada por Lagrange y Hamilton y las concisas ecuaciones elaboradas por Maxwell para unificar el electromagnetismo. Toda la Física parecía perfectamente expresada en términos matemáticos y era sumamente fiable en sus predicciones.
Tan sólo quedaban dos pequeñas fisuras en este gran edificio y parecía entonces increíble que, por estas imperfecciones, la construcción llegase a tambalearse desde sus mismos cimientos. Las deficiencias de la Física de principios de siglo consistían en su incapacidad para describir el movimiento de Mercurio y las propiedades de la velocidad de la luz:
La órbita de Mercurio según Newton (rojo), y según se observa y explicó Einstein (azul)
1.- El perihelio de la órbita de Mercurio (el punto de mayor acercamiento del planeta al Sol) avanzaba en longitud más rápidamente de lo esperado. Tan sólo se trataba de un grado cada cien siglos, un efecto muy pequeño que Le Verrier en 1859 había tratado de explicar mediante la existencia de un planeta más cercano al Sol ('Vulcano'). Pero a finales del XIX todas las búsquedas de tal planeta habían fracasado y la existencia de Vulcano había sido descartada completamente. El comportamiento de Mercurio permanecía pues irritantemente inexplicado.
2.- La velocidad de la luz parecía comportarse con terquedad. Utilizando las ecuaciones de Maxwell, Lorentz había deducido que una carga en movimiento debe radiar energía en forma de ondas y la propagación de esas ondas requería un medio material para su sustentación: el 'éter', un tenue fluido indetectable que debía llenar todo el espacio en reposo absoluto. En 1880, Michelson y Morley, en Ohio, habían realizado un ingenioso experimento de interferometría para medir la velocidad de la luz respecto del éter y respecto de la Tierra en movimiento. El sorprendente resultado fue que la luz parecía moverse a la misma velocidad respecto de estos dos sistemas de referencia. El experimento también ponía en entredicho la mera existencia del éter.
A principios del XX ya había habido muchos físicos trabajando sobre estos problemas. Lorentz y Riemann habían especulado con espacio-tiempos curvados que no respetaban la geometría de Euclides. En 1887, el irlandés G. F. Fitzgerald postuló que el movimiento produce una contracción en la longitud de los objetos. En 1898, el francés J. H. Poincaré ya sospechaba que el tiempo debe transcurrir más despacio según aumenta la velocidad de quien lo mide, etc. Pues bien, utilizando la expresión de Newton, Albert Einstein llegó sobre los hombros de todos estos 'gigantes', lo que le permitió ver más allá para concebir un nuevo y sorprendente Universo en el que no quedaba lugar para aquellas incómodas 'fisuras'.
Einstein, el genio
Albert Einstein nació en Ulm (Alemania) en 1879 en una familia judía. Tras residir en Munich y en Pavía (Italia), su familia lo envió al Instituto Politécnico de Zurich (Suiza) donde acabaría contrayendo matrimonio con su compañera de clase Mileva Maric en 1903.
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Einstein con su esposa Elsa
Einstein ejerció como profesor temporal de física y matemáticas en varias localidades antes de obtener un empleo fijo en la oficina de patentes de Berna en 1904, puesto que le permitió continuar con sus trabajos de física teórica. En 1908 pasó a la Universidad de Berna, después enseñó en Zurich y en la Universidad alemana de Praga para regresar de nuevo a Zurich en 1912, más concretamente al mismo Politécnico en el que había estudiado. En 1913 se estableció en Berlín y allí permanecería durante casi dos décadas. Se divorció de Mileva, en 1919, para casarse poco después con su prima Elsa.
Durante sus años en Berlín, Einstein alcanzó gran popularidad y sus teorías se debatían incluso en los periódicos. Pero el ascenso del nazismo obligó a Einstein a dejar Alemania en 1932. Establecido en Estados Unidos, continuó enfrentándose enérgicamente a Hitler y fue profesor del Instituto de Estudios Superiores de Princeton (Nueva Jersey). Se retiró de la vida pública 1945, y murió en el propio Princeton en 1955.
Albert Einstein es uno de los mayores genios de todos los tiempos. Similar en envergadura al del gran Newton, el legado de Einstein se extiende por muy diferentes campos de la Física. Tan sólo en un año (1905, su Annus mirabilis) Einstein revolucionó la Física con tres aportaciones fundamentales: (1) la Teoría de la Relatividad Restringida, (2) la explicación del movimiento browniano (lo que confirmó la teoría atómica y permitió una primera estimación del tamaño del átomo) y (3) la explicación del efecto fotoeléctrico que confirmó la teoría cuántica formulada por el alemán Max Planck en 1901.
El universo relativista
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Primera página del manuscrito de la Teoría de la Relatividad General
En 1915 Einstein enunció la Teoría de la Relatividad General, una nueva teoría de la Gravitación que vino a sustituir a la de Newton aportando una visión completamente revolucionaria del Universo. En la visión de Einstein, la materia, el espacio y el tiempo son tres elementos íntimamente interconectados entre sí: la gravedad puede ser interpretada como una curvatura del espacio. En el espacio-tiempo la luz se mueve a velocidad constante describiendo trayectorias curvas según es desviada por la presencia de cuerpos materiales.
La Teoría de la Relatividad explicaba cuantitativamente el desplazamiento del perihelio de Mercurio como un efecto inmediato de la gravedad del Sol. La Relatividad también eliminaba la segunda fisura de la Física clásica postulando la independencia de la velocidad de la luz respecto de la velocidad del observador, y ya no se necesitaba la existencia del éter, por lo que explicaba de manera natural el resultado del experimento del Michelson-Morley.
El eclipse solar de 1919 observado por Eddington
Pero la Relatividad realizaba otras sorprendentes predicciones. Por ejemplo, la curvatura de la luz en un campo gravitatorio. ¿Cómo comprobar esto? Sir Arthur Eddington propuso que la primera ocasión la brindaría el eclipse total de Sol del 29 de marzo de 1919. Durante un eclipse de Sol es posible observar estrellas brillantes en el entorno de nuestra estrella. Si el Sol es capaz de desviar la trayectoria de los rayos de luz, algunas de estas estrellas brillantes (cerca del Sol eclipsado) deberían verse en posiciones aparentes diferentes respecto de sus posiciones habituales (medidas cuando el Sol se encuentre en una posición distante del firmamento).
La Royal Society organizó dos expediciones a la zona de totalidad del eclipse, una al norte de Brasil y otra a la Isla del Príncipe (en el golfo de Guinea), para medir las posiciones estelares en la vecindad solar. Eddington comprobó así, de manera espectacular y ante una gran expectación a nivel mundial, que las pequeñísimas desviaciones de los rayos de luz predichos por la Relatividad (de tan sólo una diezmillonésima de grado) eran absolutamente reales.
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Efecto de lente gravitatoria. | NASA, STScl
Gracias a la Teoría de la Relatividad General de Einstein, el Universo pasa a describirse en conjunto mediante una serie de ecuaciones que describen la interconexión del espacio, el tiempo y la materia. Esta descripción integral del Universo resultaría tener una influencia decisiva en todas las teorías de la cosmología moderna que intentan explicar el origen y evolución del Universo tratándolo como un ente único y completo.
Curiosidades
* Se cuentan infinidad de anécdotas de Einstein. Hay una muy ilustrativa sobre la dificultad de divulgar la ciencia. Un día un cándido periodista le pregunta. "Sr. Einstein ¿me puede explicar la Teoría de la Relatividad?", y Einstein le responde "¿Me puede Vd. explicar cómo se fríe un huevo?". El periodista no duda en responder "Sí claro, sí que puedo". A lo que Einstein replica: "Bueno pues adelante, explíquemelo, pero imaginando que yo no sé lo que es un huevo, ni una sartén, ni el aceite, ni el fuego..."
* Einstein recibió el Premio Nobel en 1921 por su interpretación del efecto fotoeléctrico que confirmó la teoría cuántica de Planck. Paradójicamente, el propio Einstein pasaría su vida expresando dudas sobre la validez de la mecánica cuántica, una postura que le llevaría a pronunciar su famosa frase "Dios no juega a los dados".
* Tras los éxitos logrados con la Relatividad, Einstein se empeñó en conseguir una Teoría de la Unificación en la que todas las fuerzas de la Naturaleza quedasen integradas. Esta ambición no fue alcanzada ni por Einstein ni por nadie y actualmente se duda de si tal teoría es realmente viable. Pero durante años Einstein fue enunciando diferentes versiones de esa teoría, lo que hizo exclamar, un tanto irónicamente, al gran físico Pauli "es psicológicamente interesante que cada vez, durante algún tiempo, la teoría actual es considerada por su autor como la 'solución definitiva'..."
* La ralentización del tiempo en el seno de un campo gravitatorio era otra de las espectaculares predicciones de la Relatividad General. En efecto, las distorsiones espacio-temporales debidas a la presencia de materia deben ocasionar un desplazamiento gravitatorio hacia el rojo (disminución en la frecuencia de los fotones) conocido a veces como efecto Einstein. Este efecto fue comprobado experimentalmente en 1960 por Pound y Rebka mediante la observación del efecto Mössbauer, descubierto un año antes.
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Rafael Bachiller es director del Observatorio Astronómico Nacional (Instituto Geográfico Nacional).
Fuente
