Durante 100 años, la teoría general de la relatividad de Albert Einstein ha sobrevivido a casi todas las pruebas que los físicos le han hecho. Anunciadas en noviembre de 1915, las ecuaciones de campo del famoso científico se expandieron sobre las antiguas leyes de Isaac Newton al reimaginar la gravedad como una deformación en el tejido del espacio y el tiempo, en lugar de una simple fuerza entre objetos.
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Los resultados de usar ecuaciones de relatividad general en realidad se parecen a lo que obtienes usando las matemáticas de Newton, siempre que las masas involucradas no sean demasiado grandes y las velocidades sean relativamente pequeñas en comparación con la velocidad de la luz. Pero el concepto fue una revolución para la física.
El espacio-tiempo deformado significa que la luz misma se ve afectada por la gravedad mucho más fuerte de lo que Newton predijo. También significa que los planetas se mueven alrededor de sus órbitas de una manera ligeramente alterada pero muy significativa, y predice la existencia de objetos exóticos como monstruos agujeros negros y agujeros de gusano.
La relatividad general no es perfecta: las reglas de la gravedad de Einstein parecen romperse cuando las aplica a las reglas de la mecánica cuántica, que reina en escalas subatómicas. Eso deja muchas lagunas tentadoras en nuestra comprensión del universo. Incluso hoy, los científicos están empujando los límites para ver hasta dónde puede llevarnos la relatividad. Mientras tanto, estas son algunas de las formas en que vemos consistentemente la relatividad en acción:
Órbita de mercurio
La nave espacial MESSENGER, la primera en orbitar Mercurio, capturó esta vista en falso color del pequeño planeta para mostrar diferencias químicas, mineralógicas y físicas en su superficie. (NASA / JHUAPL / Carnegie Institution) En el siglo XIX, el astrónomo Urbain LeVerrier notó un problema con la órbita de Mercurio. Las órbitas planetarias no son circulares, son elipses, lo que significa que los planetas pueden estar más cerca o más lejos del sol y entre sí a medida que se mueven a través del sistema solar. A medida que los planetas se tiran unos a otros, sus puntos de aproximación más cercanos se mueven de manera predecible, un proceso llamado precesión.
Pero incluso después de tener en cuenta los efectos de todos los demás planetas, Mercurio parecía precesar un poco más de lo que debería cada siglo. Al principio, los astrónomos pensaron que otro planeta invisible llamado Vulcan debe estar dentro de la órbita de Mercurio, agregando su atracción gravitacional a la mezcla.
Pero Einstein utilizó las ecuaciones de la relatividad general para mostrar que no se necesitaba un planeta misterioso. Mercurio, al estar más cerca del sol, simplemente se ve más afectado por la forma en que nuestra estrella masiva curva el tejido del espacio-tiempo, algo que la física newtoniana no tuvo en cuenta.
Doblar la luz
Una imagen del eclipse solar visto el 29 de mayo de 1919. Serie A) Según la relatividad general, la luz que se mueve a través del espacio-tiempo de la tela debe seguir las curvas de esa tela. Eso significa que la luz que se mueve alrededor de objetos masivos debe doblarse a su alrededor. Cuando Einstein publicó sus documentos de relatividad general, no estaba claro cómo observar esta distorsión, ya que el efecto predicho es pequeño.
El astrónomo británico Arthur Eddington tuvo una idea: mirar las estrellas cerca del borde del sol durante un eclipse solar. Con el resplandor del sol bloqueado por la luna, los astrónomos podían ver si la posición aparente de una estrella cambiaba a medida que la gravedad del sol masivo doblaba su luz. Los científicos hicieron observaciones desde dos lugares: uno en el este de Brasil y otro en África.
Efectivamente, el equipo de Eddington vio el desplazamiento durante un eclipse de 1919, y los titulares de los periódicos anunciaron al mundo que Einstein tenía razón. En los últimos años, nuevos exámenes de los datos han demostrado que, según los estándares modernos, el experimento era defectuoso: había problemas con las placas fotográficas y la precisión disponible en 1919 no era lo suficientemente buena como para mostrar la cantidad correcta de desviación en las mediciones. desde Brasil. Pero los experimentos posteriores han demostrado que el efecto está ahí, y dada la ausencia de equipos modernos, el trabajo fue lo suficientemente sólido.
Hoy en día, los astrónomos que usan telescopios potentes pueden ver la luz de galaxias distantes dobladas y magnificadas por otras galaxias, un efecto ahora llamado lente gravitacional. Esta misma herramienta se usa actualmente para estimar las masas de galaxias, para buscar materia oscura e incluso para buscar planetas que orbitan otras estrellas.
Agujeros negros
El telescopio espacial Chandra de la NASA vio que el agujero negro en el centro de nuestra galaxia, llamado Sagitario A *, emitió una explosión extra brillante de rayos X en enero. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard y otros) Quizás la predicción más espectacular de la relatividad general es la existencia de agujeros negros, objetos tan masivos que ni siquiera la luz podría escapar de su atracción gravitacional. La idea, sin embargo, no era nueva. En 1784, un científico inglés llamado John Mitchell lo presentó en las reuniones de la Royal Society, y en 1799 Pierre-Simon LaPlace, un matemático francés, llegó al mismo concepto y escribió una prueba matemática más rigurosa. Aun así, nadie había observado nada como un agujero negro. Además, los experimentos en 1799 y posteriores parecían mostrar que la luz debe ser una onda en lugar de una partícula, por lo que no se vería afectada por la gravedad de la misma manera, si es que lo hace.
Entra Einstein. Si la gravedad se debe realmente a una curvatura del espacio-tiempo, entonces podría afectar la luz. En 1916, Karl Schwarzschild utilizó las ecuaciones de Einstein para mostrar que no solo podían existir agujeros negros, sino que el objeto resultante era casi el mismo que el de LaPlace. Schwarzschild también introdujo el concepto de un horizonte de eventos, una superficie de la que ningún objeto material podría escapar.
Aunque las matemáticas de Schwarzschild eran sólidas, los astrónomos tardaron décadas en observar a cualquier candidato: Cygnus X-1, una fuerte fuente de rayos X, se convirtió en el primer objeto ampliamente aceptado como un agujero negro en la década de 1970. Ahora los astrónomos piensan que cada galaxia tiene un agujero negro en su núcleo, incluso el nuestro. Los astrónomos rastrearon cuidadosamente las órbitas de las estrellas alrededor de otra fuente de rayos X brillantes en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A *, y descubrieron que el sistema se comporta como un agujero negro extremadamente masivo.
"Para sistemas como Cygnus X-1 o Sagitario A *, podemos medir la masa y el radio del objeto compacto, y simplemente no podemos descubrir ningún otro objeto astrofísico que tenga las mismas propiedades de observación", dice Paul M Sutter, astrofísico y erudito visitante en la Universidad Estatal de Ohio.
Disparando a la luna
Parte de un experimento de alcance láser lunar dejado en la luna por el Apolo 15. (NASA) Al elaborar su teoría general de la relatividad, Einstein se dio cuenta de que los efectos de la gravedad y los efectos de la aceleración son causados por la curvatura del espacio-tiempo, y que la fuerza gravitacional experimentada por alguien parado sobre un objeto masivo sería similar al efecto. experimentado por alguien acelerando, por ejemplo, montando un cohete.
Eso significa que las leyes de la física, tal como se miden en un laboratorio, siempre se verán iguales sin importar qué tan rápido se mueva el laboratorio o dónde se encuentre en el espacio-tiempo. Además, si coloca un objeto en un campo gravitacional, su movimiento dependerá solo de su posición inicial y su velocidad. Esa segunda afirmación es importante, porque implica que el tirón de la gravedad del sol en la Tierra y la luna debería ser muy estable; de lo contrario, quién sabe qué problemas podrían surgir si nuestro planeta y la luna "caen" hacia el sol a diferentes velocidades.
En la década de 1960, las misiones Apolo y las sondas lunares soviéticas instalaron reflectores en la luna, y los científicos en la Tierra les han disparado rayos láser para realizar una serie de experimentos científicos, incluida la medición de la distancia entre la Tierra y la luna y sus movimientos relativos. alrededor del Sol. Una de las lecciones de este hallazgo de rango lunar fue que la Tierra y la luna están cayendo hacia el sol a la misma velocidad, tal como lo predice la relatividad general.
Arrastrando espacio
Un dibujo compuesto del satélite Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Universidad de Stanford y Lockheed Martin Corporation) En la mayoría de las descripciones de la relatividad general, las personas imaginan la Tierra como una bola de boliche suspendida sobre un pedazo de tela, también conocido como espacio-tiempo. La pelota hace que la tela se distorsione en una depresión. Pero dado que la Tierra gira, la relatividad general dice que la depresión debería torcerse y distorsionarse a medida que la bola gira.
Una nave espacial llamada Gravity Probe B, lanzada en 2004, pasó un año midiendo la curvatura del espacio-tiempo alrededor de la Tierra. Encontró alguna evidencia de arrastre de cuadros, o la Tierra arrastrando la tela cósmica con ella mientras gira, ayudando a validar la imagen de gravedad de Einstein.
Ondas espacio-temporales
Dos púlsares masivos que giran uno alrededor del otro crearían suficiente perturbación en la estructura del espacio-tiempo para generar ondas gravitacionales que deberíamos poder detectar en la Tierra. (NASA) Otra consecuencia de los objetos que se mueven a través del espacio-tiempo es que a veces crean ondas y ondas en la tela, similar a la estela de un barco. Estas ondas gravitacionales estirarían el espacio-tiempo de forma teóricamente observable. Por ejemplo, algunos experimentos hacen brillar un rayo láser entre dos conjuntos de espejos y calculan el tiempo que tarda el rayo en rebotar entre ellos. Si una onda espacio-temporal pasa a través de la Tierra, tales detectores deberían ver un pequeño alargamiento y contracción del haz, que se vería como un patrón de interferencia.
Hasta ahora, las ondas gravitacionales son una de las últimas predicciones importantes de la relatividad general que aún no se han visto, aunque hay rumores de una detección en una instalación en los EE. UU. Pero hay alguna evidencia indirecta. Los púlsares son estrellas muertas que acumulan muchas veces la masa del sol en un espacio del tamaño de Manhattan. Las observaciones de dos púlsares que orbitan entre sí proporcionan algunas pistas de que las ondas gravitacionales son reales.
"Se ha observado que el período orbital del primer púlsar binario decae con el tiempo en aproximadamente 0, 0001 segundos por año", dice el físico Alan Kostelecky de la Universidad de Indiana. "La tasa de descomposición coincide con la pérdida de energía debida a la radiación gravitacional que predice la relatividad general".
GPS
La representación de un artista muestra un satélite GPS-IIRM en órbita. (Comité Ejecutivo Nacional de EE. UU. Para Posicionamiento, Navegación y Sincronización desde el Espacio) Los sistemas de posicionamiento global no son exactamente una prueba de relatividad, pero dependen absolutamente de ella. El GPS utiliza una red de satélites en órbita que envían señales a los teléfonos y alquilan automóviles en todo el planeta. Para obtener una posición, esos satélites deben saber dónde y cuándo están, por lo que mantienen las mediciones de tiempo con una precisión de milmillonésimas de segundo.
Pero los satélites están dando vueltas a 12, 550 millas sobre nuestras cabezas, donde sienten menos atracción gravitacional del planeta que las personas en el suelo. Basado en la teoría de la relatividad especial de Einstein, que dice que el tiempo pasa de manera diferente para los observadores que se mueven a diferentes velocidades, los relojes satelitales funcionan un poco más lento que el reloj de un viajero terrestre.
Sin embargo, la relatividad general ayuda a cancelar este efecto, porque la gravedad cerca de la superficie de la Tierra ralentiza los tics de un reloj en comparación con la velocidad del satélite en la parte superior. En ausencia de este combo relativista, los relojes GPS estarían apagados unos 38 microsegundos por día. Eso puede parecer un pequeño error, pero el GPS requiere una precisión tan alta que la discrepancia haría que su ubicación mapeada fuera notablemente incorrecta en cuestión de horas.
