El Universo minimalista - Einstein y la teoría de la relatividad

Fotografía del Congreso Solvay de 1927, considerada la más importante y famosa de la historia de la ciencia.

Importante: si no has visto la primera parte, te recomiendo que la leas antes de continuar con esta entrada: El Universo minimalista - Introducción

En esta segunda parte de El universo minimalista, en la que ya expliqué en la entrada anterior que el objetivo de estas publicaciones es la de acercar la Astronomía y la Cosmología a la gente de la manera más simple posible, trataré de explicar de una manera muy breve la teoría de la relatividad de Einstein y algunos aspectos de su vida que le llevaron a esos descubrimientos. Se van a quedar muchas ideas en el tintero puesto que es imposible explicarlas todas en una única entrada, ya que lo que intento básicamente es que sea lo más comprensible posible.

Enfocaré de una manera muy genérica cuál es la visión del Universo a día de hoy y, para ello, deberemos adentrarnos muy brevemente en la teoría de Einstein. Una vez que esto quede bien explicado, en entradas posteriores entraré en otras temáticas como cuál es la estructura del Universo y otras cuestiones bastante interesantes. Sin más dilación, empecemos pues con esta segunda parte.

Einstein y la teoría de la relatividad

El desordenado escritorio de Albert Einstein.

Nadie hubiera apostado cuando Einstein era tan solo un niño que se convertiría en todo un genio y que realizaría todos esos descubrimientos que corregirían más de dos siglos de ciencia hegemónicos de Newton. Para empezar, Einstein no comenzó a hablar hasta los 3 años, y aunque sacaba buenas notas en el colegio (así de paso desmonto el mito de que Einstein sacaba malas notas), los profesores lo tenían como un holgazán ya que era bastante rebelde en la escuela.

Cuando Einstein terminó sus estudios, ningún profesor le recomendó, por lo que vivió una época de su vida muy frustrante ya que nadie quería contar profesionalmente con él. De hecho, él mismo llegó a pensar que lo mejor hubiera sido no haber nacido. Ni se imaginaba que unos años más tarde se iba a convertir en uno de los científicos más famosos de la historia. Einstein es otra demostración más de las vueltas que puede dar la vida.

Sin Einstein, toda la tecnología espacial no se hubiera desarrollado plenamente y, por tanto, móviles como los que tenemos no se podrían haber fabricado. Gracias a él, por ejemplo, se ha podido desarrollar el GPS que requiere unas correcciones de tiempo que chocan en principio con nuestra intuición.

Según la teoría de la relatividad de Einstein, el tiempo para cada objeto es relativo, lo que contrasta claramente con nuestra perspectiva de que el tiempo es universal. Un satélite GPS mide un tiempo ligeramente diferente al que medimos aquí en la Tierra, y con las correcciones de la teoría de la relatividad de Einstein, se ha conseguido una precisión absoluta sin la cual los GPS no podrían realizar esas mediciones tan exactas.

A lo mejor habéis escuchado o leído que Einstein publicó dos teorías: primero publicó la teoría de la relatividad especial, y posteriormente la teoría de la relatividad general que supuso una ampliación de su primera teoría. Pero, ¿qué diferencia hay entre ambas o qué relación tienen?

En primer lugar, la primera de ellas, la relatividad especial, la publicó en 1905. Einstein, como dije en la entrada anterior, desarrolló esta teoría gracias a una situación que se planteó mentalmente: ¿qué ocurriría si estuviera montado en un rayo de luz? La respuesta fue la siguiente: si viajara a la velocidad de la luz, el tiempo se detendría.

Imagínate que estás viendo un reloj con sus manecillas marcando el tiempo. Si te desplazaras a la velocidad de la luz, la luz de este reloj jamás te alcanzaría y se quedaría eternamente marcando el mismo tiempo. Como curiosidad, Einstein vislumbró este ejemplo mental mientras montado en el tranvía observó la Torre del Reloj de Berna.

El lugar inspirador de Albert Einstein: la Torre del Reloj de Berna.

Además, no solo el tiempo se vería afectado dependiendo de la velocidad del objeto, sino también el espacio, de modo que cuanto mayor sea la velocidad, más se acortará el objeto pareciendo más pequeño para un observador externo. El espacio y el tiempo son, por tanto, relativos.

Esta fue la base de la teoría de la relatividad especial, en la que aunó en contra del sentido común el espacio y el tiempo. De siempre se ha visto como cotidiano e irrefutable que el espacio es una cosa, y el tiempo otra muy distinta. Pues Einstein dijo que no, que tanto el espacio como el tiempo están íntimamente relacionados. Este primer concepto es bastante difícil de asumir, pero es cierto, se ha demostrado. De hecho, si los satélites GPS no lo tuvieran en cuenta, no podrían realizar esas determinaciones tan precisas.

Asimismo, estableció un límite cósmico que ningún objeto podría sobrepasar jamás. Ese límite de velocidad se trataba, ni más ni menos, que la velocidad de la luz. Ningún objeto podría superar la friolera velocidad de 300.000 km/s.

Cuando Einstein publicó su teoría en las revistas más prestigiosas de ciencia de aquella época, casi nadie le comprendió. Fue tan revolucionario que los científicos de mayor renombre no entendían las bases de su teoría. Afortunadamente, unos cuantos privilegiados sí entendieron lo que Einstein quería decir, y empezaron a curiosear quién era ese completo desconocido que se hacía llamar Albert Einstein, que ni siquiera era un científico y trabajaba en la Oficina de Patentes de Berna (Suiza).

No obstante, esta teoría era bastante limitada ya que únicamente servía para ocasiones muy ESPECIALES en las que el objeto mantuviera una velocidad constante sin las perturbaciones de la gravedad que, como todos sabemos, se encuentra en todas partes. De ahí el nombre que recibió su teoría, la relatividad ESPECIAL, pues prácticamente no tenía en cuenta los efectos de la gravedad.

Entonces Einstein se puso nuevamente manos a la obra para hacer encajar la gravedad en su teoría. Este, sin embargo, iba a ser un durísimo trabajo que incluso Max Planck creía que no iba a tener éxito, pues tendría que luchar con el célebre Isaac Newton, considerado el fundador de la ciencia moderna.

Einstein admiraba a Newton, pero sabía perfectamente que si quería que su teoría triunfase, tendría que corregirlo, y con ello más de dos siglos de ciencia. En aquella época, apostar a que Einstein ganara el pulso a Newton era apostar por el caballo perdedor.

Para Newton, la gravedad era una fuerza que ejercía su poder instantáneamente. Esto contradecía la teoría de la relatividad especial de Einstein que establecía como límite de velocidad para todo lo que nos rodea la velocidad de la luz. Por tanto, la gravedad no podía tirar del objeto menos pesado instantáneamente hacia el más pesado.

Einstein, aun sabiendo que se enfrentaba al gran Isaac Newton, no se dio por vencido. Trabajaba muy duro hasta bien entrada la noche. Cuando se daba cuenta de que había cometido algunos errores de cálculo, arrojaba su libreta con violencia al suelo hasta que encontraba una nueva solución. Einstein no desistió de esta ardua tarea. Al fin, tras años de durísimo trabajo, vislumbró la solución y, como no, de nuevo con un experimento mental.

En este nuevo experimento, Einstein se imaginó a unas personas que estuvieran trabajando en el tejado de un edificio y que una de ellas se cayera por uno de los lados de la estructura. Luego, se imaginó a una persona en el interior de un ascensor y que de repente se cortara la cuerda de éste haciendo caer a ambos a la misma velocidad. Parecería entonces que esta persona se encontrara flotando en el ascensor. Se preguntó: ¿cómo la gravedad hace caer a estas personas?, ¿cómo actúa? Y entonces, ¡eureka!, Einstein lo volvió a ver.

Einstein redefinió la gravedad y corrigió a Newton: la gravedad no se trata de una fuerza vectorial instantánea ejercida por el objeto más pesado al menos pesado, sino que es la curvatura del espacio y el tiempo (recordemos que espacio y tiempo son lo mismo) la que ejerce dicha atracción. Esta idea, nuevamente, volvía a ser muy revolucionaria y sería la base de la teoría de la relatividad general publicada en 1915.

En resumen, según Einstein, todo lo que hay en el Universo se encuentra inmerso en una malla de espacio-tiempo que puede ser moldeado por la gravedad. Esta curvatura del espacio-tiempo es producida por la materia que, al poseer masa, deforma este tejido.

Para que nos hagamos una mejor idea, imaginemos que extendemos una sábana que representaría el espacio-tiempo. Si se colocara una pelota encima de la sábana, ésta se curvaría deformando así el espacio-tiempo. Cuanto mayor sea la masa de la pelota, mayor será la deformidad. Ahora imaginad que lanzamos una canica que pasara por esta curvatura. La trayectoria de esta canica se desviaría debido a la deformidad de la pelota que crea en la sábana. Si se lanzara con la velocidad justa, la canica estaría condenada a rodear eternamente a la pelota en el "hoyo" creado por éste.

Así es cómo orbita cualquier objeto celeste a otro: así es como la Luna gira alrededor de la Tierra, o la Tierra alrededor del Sol, etc. La gravedad es, por tanto, esa deformidad del espacio-tiempo creada por la masa. Al final de la entrada he añadido un par de vídeos para que la teoría se vea más claramente, así que no desistas si en principio no lo llegas a comprender del todo.

La Tierra deformando el espacio-tiempo que se muestra como una cuadrícula. Por esta curvatura es por donde la Luna gira alrededor de nuestro planeta.

Además, Einstein explicó otra idea bastante revolucionaria y abstracta. Al igual que la trayectoria de la canica que hemos lanzado en el ejemplo anterior se vio afectada por la curvatura del espacio-tiempo creada por la pelota, la luz también se desvía por esta curvatura. De nuevo, es algo que va en contra de nuestra intuición.

Aunque Einstein publicó su teoría definitiva en 1915, sabía perfectamente que todavía existía un grandísimo inconveniente: no existía ninguna prueba que la demostrase. ¿De qué sirve publicar una teoría si no puedes demostrar que es cierta? Otra vez, Einstein estaba en apuros. Fue así como en otro momento de increíble genialidad, Einstein ideó un experimento para probar su teoría.

El experimento fue el siguiente: según Einstein, si la luz se curvaba por la acción de la gravedad, o mejor dicho, por acción del espacio-tiempo curvado por la masa, se podría comprobar que la trayectoria de la luz, cuando pasa por un objeto realmente masivo, se curvaría. Este objeto verdaderamente masivo sería en la realidad el Sol, y la luz curvada correspondería a las de las estrellas que se encuentran detrás del Sol. Estas estrellas deberían variar de posición por acción de la gravedad y, por tanto, se podría medir esta variación. En definitiva, se podrían observar estrellas que estuvieran detrás del Sol porque su gravedad curvaría la luz de esas estrellas.

La luz de una estrella desviada por la gravedad del Sol.

Ahora, sin embargo, había otro problema: debido a la gran luminosidad del Sol, no se podrían observar las estrellas cercanas al Sol (su intensa luz las "oculta"). Einstein pensó de nuevo y... ¡eureka!, hay un fenómeno natural que podría solventar este problema. Este fenómeno se trataba de un eclipse solar, donde el Sol se oculta tras la Luna y deja entrever las estrellas que le circundan. Si Einstein tenía razón, durante este fenómeno se podría medir ligeras modificaciones en la posición de esas estrellas. Fue así como astrónomos de todo el mundo se pusieron manos a la obra para comprobar la teoría de la relatividad de Einstein.

El primer resultado verídico vino de la mano del astrofísico británico Arthur Eddington. Durante un eclipse solar que se pudo observar en África en 1919, Eddington realizó una serie de fotografías del fenómeno. Una vez que terminó de fotografiarlo, se dispuso a medir las posiciones de las estrellas que circundaban al Sol y encontró, tal y como Einstein predijo, que su posición se había modificado ligeramente por la acción gravitatoria del Sol. Efectivamente, la luz se había curvado.

De esta manera, se comprobó, por primera vez, que Einstein estaba en lo cierto y, a partir de este momento, comenzó su gran reconocida fama mundial que continúa hasta nuestros días. Einstein había ganado el pulso a Newton.

Nota: no estoy diciendo que Einstein derribara las leyes de Newton, en absoluto, sino que las completó por así decirlo. A día de hoy, las tres leyes formuladas por Newton siguen describiendo la realidad cotidiana con una increíble precisión.

Hasta ahora, nadie ha conseguido destronar a Einstein de su merecido trono o revocar algunos aspectos de su teoría, sino que con el paso de los años se han hecho numerosas observaciones que confirman aún más la teoría de Einstein. Algunas de estas observaciones son tan descabelladas que parecen sacadas de una película de ciencia ficción. No obstante, gracias a Einstein, se pueden explicar estos hechos tan particulares.

Como ejemplo, cabe destacar el suceso tan extraño que ocurre con las partículas que se desplazan a grandes velocidades, cercanas a la velocidad de la luz. Se ha visto que estas partículas deberían desintegrarse antes ya que en realidad lo hacen más tarde. ¡Es como si viajaran a cámara lenta!

Estas partículas son otra confirmación de la teoría de la relatividad de Einstein, en la que dice que toda materia que viaje a enormes velocidades, el tiempo discurrirá más lentamente, de ahí que estas partículas tarden más en desintegrarse. Es el ejemplo que Einstein imaginó cuando miró la Torre del Reloj de Berna.

Asimismo, como ya he comentado antes, los GPS también son testigos de la teoría de la relatividad, pues miden un tiempo distinto al que medimos aquí en la Tierra. Desde luego, esto parece ciencia ficción, pero es totalmente real y comprobable.

Este es el mundo en el que vivimos, un mundo lleno de contradicciones y totalmente anti-intuitivo. Si en último término queremos comprender por completo la realidad en la que vivimos (todavía existen numerosas incógnitas por descifrar como comentaré en las entradas siguientes), esa teoría tendrá que ser, a mi parecer, una locura, mayor que la teoría de la relatividad de Einstein.

En las siguientes publicaciones, además, comentaré todo lo que se descubrió a raíz de las ecuaciones de Einstein puesto que en su teoría estaban ocultas realidades que revolucionarían nuestra perspectiva del Universo. Ni el propio Einstein se imaginaba todo lo que vendría después...

Finalmente, aquí os dejo un par de vídeos bastante ilustrativos que explican visualmente la teoría de la relatividad de Einstein:

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