"Estoy exhausto. Pero el éxito es glorioso".
contenido relacionado
- El matemático Emmy Noether debería ser tu héroe
Fue hace cien años este noviembre, y Albert Einstein estaba disfrutando de un raro momento de satisfacción. Días antes, el 25 de noviembre de 1915, había subido al escenario en la Academia de Ciencias de Prusia en Berlín y declaró que por fin había completado su agónica expedición de una década para una nueva y más profunda comprensión de la gravedad. La teoría general de la relatividad, afirmó Einstein, ahora estaba completa.
El mes previo al anuncio histórico había sido el período intelectualmente más intenso y lleno de ansiedad de su vida. Culminó con la visión radicalmente nueva de Einstein de la interacción del espacio, el tiempo, la materia, la energía y la gravedad, una hazaña ampliamente venerada como uno de los mayores logros intelectuales de la humanidad.
En ese momento, el zumbido de la relatividad general solo fue escuchado por una camarilla de pensadores en las afueras de la física esotérica. Pero en el siglo transcurrido desde entonces, la creación de Einstein se ha convertido en el nexo para una amplia gama de problemas fundamentales, incluido el origen del universo, la estructura de los agujeros negros y la unificación de las fuerzas de la naturaleza, y la teoría también se ha aprovechado para tareas más aplicadas. como buscar planetas extrasolares, determinar la masa de galaxias distantes e incluso guiar las trayectorias de los conductores de automóviles y misiles balísticos. La relatividad general, una vez una descripción exótica de la gravedad, ahora es una poderosa herramienta de investigación.
La búsqueda para captar la gravedad comenzó mucho antes que Einstein. Durante la plaga que devastó Europa de 1665 a 1666, Isaac Newton se retiró de su puesto en la Universidad de Cambridge, se refugió en la casa de su familia en Lincolnshire, y en sus horas de inactividad se dio cuenta de que cada objeto, ya sea en la Tierra o en el cielo, se empuja entre sí con una fuerza que depende únicamente de qué tan grandes son los objetos (su masa) y qué tan separados están en el espacio (su distancia). Los escolares de todo el mundo han aprendido la versión matemática de la ley de Newton, que ha hecho predicciones tan espectacularmente precisas para el movimiento de todo, desde rocas arrojadas hasta planetas en órbita, que parecía que Newton había escrito la última palabra sobre la gravedad. Pero no lo hizo. Y Einstein fue el primero en asegurarse de esto.
**********
En 1905, Einstein descubrió la teoría especial de la relatividad, estableciendo el famoso dicho de que nada, ningún objeto o señal, puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Y ahí está el problema. De acuerdo con la ley de Newton, si sacudes al Sol como una maraca cósmica, la gravedad también hará que la Tierra tiemble de inmediato. Es decir, la fórmula de Newton implica que la gravedad ejerce su influencia de un lugar a otro instantáneamente. Eso no solo es más rápido que la luz, es infinito.
Relatividad: lo especial y la teoría general
Publicada en el centésimo aniversario de la relatividad general, esta hermosa edición del famoso libro de Einstein sitúa el trabajo en un contexto histórico e intelectual al tiempo que proporciona una visión invaluable de una de las mentes científicas más grandes de todos los tiempos.
ComprarEinstein no tendría nada de eso. Seguramente debe existir una descripción más refinada de la gravedad, una en la que las influencias gravitacionales no sobrepasen a la luz. Einstein se dedicó a encontrarlo. Y para hacerlo, se dio cuenta, necesitaría responder una pregunta aparentemente básica: ¿Cómo funciona la gravedad? ¿Cómo llega el Sol a través de 93 millones de millas y ejerce una atracción gravitacional sobre la Tierra? Para los tirones más familiares de la experiencia cotidiana, abrir una puerta, descorchar una botella de vino, el mecanismo es manifiesto: existe un contacto directo entre su mano y el objeto que experimenta el tirón. Pero cuando el Sol tira de la Tierra, ese tirón se ejerce a través del espacio, el espacio vacío. No hay contacto directo. Entonces, ¿qué mano invisible está en el trabajo ejecutando las órdenes de gravedad?
El propio Newton encontró esta pregunta profundamente desconcertante, y se ofreció voluntariamente a que su propio fracaso para identificar cómo la gravedad ejerce su influencia significaba que su teoría, por exitosas que fueran sus predicciones, seguramente era incompleta. Sin embargo, durante más de 200 años, la admisión de Newton no fue más que una nota a pie de página pasada por alto a una teoría que de otro modo coincidía con las observaciones.
En 1907, Einstein comenzó a trabajar en serio para responder esta pregunta; para 1912, se había convertido en su obsesión a tiempo completo. Y dentro de ese puñado de años, Einstein dio con un avance conceptual clave, tan simple de afirmar como difícil de comprender: si no hay nada más que un espacio vacío entre el Sol y la Tierra, entonces su atracción gravitacional mutua debe ser ejercida por el espacio. sí mismo. ¿Pero cómo?
La respuesta de Einstein, a la vez hermosa y misteriosa, es que la materia, como el Sol y la Tierra, hace que el espacio a su alrededor se curve, y la forma deformada resultante del espacio influye en el movimiento de otros cuerpos que pasan.
Aquí hay una manera de pensarlo. Imagina la trayectoria recta seguida de una canica que has rodado sobre un piso de madera plano. Ahora imagine rodar el mármol sobre un piso de madera deformado y retorcido por una inundación. El mármol no seguirá la misma trayectoria recta porque será empujado de esta manera y por los contornos curvos del piso. Al igual que con el piso, también con el espacio. Einstein imaginó que los contornos curvos del espacio empujarían a una pelota de béisbol bateada para seguir su familiar trayectoria parabólica y convencerían a la Tierra de adherirse a su órbita elíptica habitual.
Fue un salto impresionante. Hasta entonces, el espacio era un concepto abstracto, una especie de contenedor cósmico, no una entidad tangible que podría provocar un cambio. De hecho, el salto fue aún mayor. Einstein se dio cuenta de que el tiempo también podría deformarse. Intuitivamente, todos imaginamos que los relojes, independientemente de dónde se encuentren, funcionan al mismo ritmo. Pero Einstein propuso que cuanto más cerca estén los relojes de un cuerpo masivo, como la Tierra, más lento será el tictac, lo que refleja una sorprendente influencia de la gravedad en el paso del tiempo. Y así como una urdimbre espacial puede empujar la trayectoria de un objeto, también para una temporal: las matemáticas de Einstein sugirieron que los objetos se dibujan hacia lugares donde el tiempo transcurre más lentamente.
Aún así, el cambio radical de la gravedad de Einstein en términos de la forma del espacio y el tiempo no fue suficiente para reclamar la victoria. Necesitaba desarrollar las ideas en un marco matemático predictivo que describiera con precisión la coreografía bailada por el espacio, el tiempo y la materia. Incluso para Albert Einstein, eso resultó ser un desafío monumental. En 1912, luchando por modelar las ecuaciones, le escribió a un colega que "Nunca antes en mi vida me he atormentado algo como esto". Sin embargo, solo un año después, mientras trabajaba en Zurich con su colega más matemáticamente adaptado, Marcel Grossmann, Einstein se acercó tentadoramente a la respuesta. Aprovechando los resultados de mediados de 1800 que proporcionaron el lenguaje geométrico para describir formas curvas, Einstein creó una reformulación de la gravedad totalmente nueva pero totalmente rigurosa en términos de la geometría del espacio y el tiempo.
Pero entonces todo pareció colapsar. Mientras investigaba sus nuevas ecuaciones, Einstein cometió un error técnico fatídico, lo que lo llevó a pensar que su propuesta no describió correctamente todo tipo de movimiento común. Durante dos largos y frustrantes años, Einstein trató desesperadamente de solucionar el problema, pero nada funcionó.
Einstein, tenaz como viene, permaneció sin inmutarse, y en el otoño de 1915 finalmente vio el camino a seguir. Para entonces era profesor en Berlín y había sido incluido en la Academia de Ciencias de Prusia. Aun así, tenía tiempo en sus manos. Su esposa, Mileva Maric, finalmente aceptó que su vida con Einstein había terminado, y se había mudado de regreso a Zurich con sus dos hijos. Aunque las relaciones familiares cada vez más tensas pesaban mucho sobre Einstein, el acuerdo también le permitió seguir libremente sus corazonadas matemáticas, sin ser molestados día y noche, en la tranquila soledad de su estéril apartamento de Berlín.
Para noviembre, esta libertad dio sus frutos. Einstein corrigió su error anterior y emprendió el ascenso final hacia la teoría general de la relatividad. Pero mientras trabajaba intensamente en los finos detalles matemáticos, las condiciones se volvieron inesperadamente traicioneras. Unos meses antes, Einstein se había reunido con el reconocido matemático alemán David Hilbert y había compartido todo su pensamiento sobre su nueva teoría gravitacional. Aparentemente, Einstein aprendió para su consternación, la reunión había avivado tanto el interés de Hilbert que ahora estaba corriendo a Einstein hacia la línea de meta.
Una serie de postales y cartas que intercambiaron a lo largo de noviembre de 1915 documenta una rivalidad cordial pero intensa a medida que cada una se acercaba a las ecuaciones de la relatividad general. Hilbert consideró que era un juego justo perseguir una apertura en una teoría de la gravedad prometedora pero aún inconclusa; Einstein consideró que era una forma atrozmente mala para Hilbert participar en su expedición en solitario tan cerca de la cumbre. Además, Einstein se dio cuenta ansiosamente de que las reservas matemáticas más profundas de Hilbert representaban una seria amenaza. A pesar de sus años de arduo trabajo, Einstein podría ser arrestado.
La preocupación estaba bien fundada. El sábado 13 de noviembre, Einstein recibió una invitación de Hilbert para unirse a él en Göttingen el martes siguiente para aprender con "detalles muy completos" la "solución a su gran problema". Einstein objetó. “Debo abstenerme de viajar a Gotinga por el momento y más bien debo esperar pacientemente hasta que pueda estudiar tu sistema a partir del artículo impreso; porque además estoy cansado y plagado de dolores de estómago ".
Pero ese jueves, cuando Einstein abrió su correo, se encontró con el manuscrito de Hilbert. Einstein respondió de inmediato, sin disimular su irritación: "El sistema que usted proporciona está de acuerdo, por lo que puedo ver, exactamente con lo que encontré en las últimas semanas y lo presenté a la Academia". Einstein confió a su amigo Heinrich Zangger., "En mi experiencia personal no he aprendido mejor la miseria de la especie humana como en ocasión de esta teoría ..."
Una semana después, el 25 de noviembre, dando una conferencia a una audiencia silenciosa en la Academia Prusiana, Einstein reveló las ecuaciones finales que constituyen la teoría general de la relatividad.
Nadie sabe lo que pasó durante esa última semana. ¿Einstein propuso las ecuaciones finales por su cuenta o el documento de Hilbert proporcionó asistencia no solicitada? ¿El borrador de Hilbert contenía la forma correcta de las ecuaciones, o Hilbert posteriormente insertó esas ecuaciones, inspiradas en el trabajo de Einstein, en la versión del documento que Hilbert publicó meses después? La intriga solo se profundiza cuando nos enteramos de que una sección clave de las pruebas de la página para el artículo de Hilbert, que podría haber resuelto las preguntas, fue literalmente eliminada.
Al final, Hilbert hizo lo correcto. Reconoció que cualquiera que haya sido su papel en la catalización de las ecuaciones finales, la teoría general de la relatividad debería acreditarse con razón a Einstein. Y así es. Hilbert también ha recibido su merecido, como una forma técnica pero particularmente útil de expresar las ecuaciones de la relatividad general que lleva los nombres de ambos hombres.
Por supuesto, el crédito solo valdría la pena si la teoría general de la relatividad se confirmara mediante observaciones. Sorprendentemente, Einstein pudo ver cómo se podría hacer eso.
**********
La relatividad general predijo que los haces de luz emitidos por estrellas distantes viajarían a lo largo de trayectorias curvas a medida que pasaran a través de la región deformada cerca del Sol en el camino a la Tierra. Einstein utilizó las nuevas ecuaciones para precisar esto: calculó la forma matemática de estas trayectorias curvas. Pero para probar la predicción, los astrónomos necesitarían ver estrellas distantes mientras el Sol está en primer plano, y eso solo es posible cuando la Luna bloquea la luz del Sol, durante un eclipse solar.
El próximo eclipse solar, del 29 de mayo de 1919, sería el campo de pruebas de la relatividad general. Equipos de astrónomos británicos, dirigidos por Sir Arthur Eddington, se instalaron en dos lugares que experimentarían un eclipse total de sol: en Sobral, Brasil, y en Príncipe, en la costa oeste de África. Combatiendo los desafíos del clima, cada equipo tomó una serie de placas fotográficas de estrellas distantes momentáneamente visibles a medida que la Luna flotaba a través del Sol.
Durante los siguientes meses de cuidadoso análisis de las imágenes, Einstein esperó pacientemente los resultados. Finalmente, el 22 de septiembre de 1919, Einstein recibió un telegrama anunciando que las observaciones del eclipse habían confirmado su predicción.
Los periódicos de todo el mundo recogieron la historia, con titulares sin aliento que proclamaban el triunfo de Einstein y lo catapultaban prácticamente de la noche a la mañana en una sensación mundial. En medio de toda la emoción, una joven estudiante, Ilse Rosenthal-Schneider, le preguntó a Einstein qué habría pensado si las observaciones no estuvieran de acuerdo con la predicción de la relatividad general. Einstein respondió con una bravuconería encantadora: "Me habría arrepentido del Querido Señor porque la teoría es correcta".
De hecho, en las décadas transcurridas desde las mediciones del eclipse, ha habido muchas otras observaciones y experimentos, algunos en curso, que han llevado a una confianza sólida en la relatividad general. Una de las más impresionantes es una prueba de observación que abarcó casi 50 años, entre los proyectos de más larga duración de la NASA. La relatividad general afirma que a medida que un cuerpo como la Tierra gira sobre su eje, debería arrastrar el espacio en un remolino, como una piedra giratoria en un cubo de melaza. A principios de la década de 1960, los físicos de Stanford establecieron un esquema para probar la predicción: lanzar cuatro giroscopios ultraprecisos en la órbita cercana a la Tierra y buscar pequeños cambios en la orientación de los ejes de los giroscopios que, según la teoría, deberían ser causados por el remolino de espacio.
Se requirió una generación de esfuerzo científico para desarrollar la tecnología giroscópica necesaria y luego años de análisis de datos para, entre otras cosas, superar un tambaleo desafortunado que los giroscopios adquirieron en el espacio. Pero en 2011, el equipo detrás de Gravity Probe B, como se conoce el proyecto, anunció que el experimento de medio siglo había llegado a una conclusión exitosa: los ejes de los giroscopios estaban girando por la cantidad que predijeron las matemáticas de Einstein.
Hay un experimento restante, actualmente más de 20 años en desarrollo, que muchos consideran la prueba final de la teoría general de la relatividad. Según la teoría, dos objetos que chocan, ya sean estrellas o agujeros negros, crearán olas en la estructura del espacio, de la misma manera que dos botes que chocan en un lago tranquilo crearán olas de agua. Y como tales ondas gravitacionales se ondulan hacia afuera, el espacio se expandirá y contraerá a su paso, algo así como una bola de masa que se estira y comprime alternativamente.
A principios de la década de 1990, un equipo dirigido por científicos del MIT y Caltech inició un programa de investigación para detectar ondas gravitacionales. El desafío, y es grande, es que si un encuentro astrofísico tumultuoso ocurre muy lejos, para cuando las ondulaciones espaciales resultantes se lavan por la Tierra, se habrán extendido tanto que se diluirán fantásticamente, tal vez estirando y comprimiendo el espacio por solo una fracción de un núcleo atómico.
Sin embargo, los investigadores han desarrollado una tecnología que podría ser capaz de ver los pequeños signos reveladores de una onda en la estructura del espacio a medida que avanza por la Tierra. En 2001, dos dispositivos en forma de L de cuatro kilómetros de largo, conocidos colectivamente como LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser), se desplegaron en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington. La estrategia es que una onda gravitacional que pasa se estire y comprima alternativamente los dos brazos de cada L, dejando una huella en la luz láser que sube y baja cada brazo.
En 2010, LIGO fue dado de baja, antes de que se detectaran las firmas de ondas gravitacionales: el aparato casi seguramente carecía de la sensibilidad necesaria para registrar las pequeñas sacudidas causadas por una onda gravitacional que llega a la Tierra. Pero ahora se está implementando una versión avanzada de LIGO, una actualización que se espera que sea diez veces más sensible, y los investigadores anticipan que dentro de unos años la detección de ondas en el espacio causadas por perturbaciones cósmicas distantes será común.
El éxito sería emocionante no porque alguien realmente dude de la relatividad general, sino porque los vínculos confirmados entre la teoría y la observación pueden generar nuevas aplicaciones poderosas. Las mediciones del eclipse de 1919, por ejemplo, que establecieron que la gravedad dobla la trayectoria de la luz, han inspirado una técnica exitosa ahora utilizada para encontrar planetas distantes. Cuando tales planetas pasan frente a sus estrellas anfitrionas, enfocan ligeramente la luz de la estrella causando un patrón de brillo y atenuación que los astrónomos pueden detectar. Una técnica similar también ha permitido a los astrónomos medir la masa de galaxias particulares al observar cuán severamente distorsionan la trayectoria de la luz emitida por fuentes aún más distantes. Otro ejemplo más familiar es el sistema de posicionamiento global, que se basa en el descubrimiento de Einstein de que la gravedad afecta el paso del tiempo. Un dispositivo GPS determina su ubicación midiendo el tiempo de viaje de las señales recibidas de varios satélites en órbita. Sin tener en cuenta el impacto de la gravedad sobre el tiempo transcurrido en los satélites, el sistema GPS no podría determinar correctamente la ubicación de un objeto, incluido su automóvil o un misil guiado.
Los físicos creen que la detección de ondas gravitacionales tiene la capacidad de generar su propia aplicación de profunda importancia: un nuevo enfoque de la astronomía observacional.
Desde la época de Galileo, hemos girado los telescopios hacia el cielo para recoger ondas de luz emitidas por objetos distantes. La siguiente fase de la astronomía puede muy bien centrarse en la recolección de ondas gravitacionales producidas por trastornos cósmicos distantes, lo que nos permite explorar el universo de una manera completamente nueva. Esto es particularmente emocionante porque las ondas de luz no podían penetrar el plasma que llenaba el espacio hasta unos cientos de miles de años después del Big Bang, pero las ondas de gravedad sí podían. Un día podemos usar la gravedad, no la luz, como nuestra sonda más penetrante de los primeros momentos del universo.
Debido a que las ondas de gravedad se extienden por el espacio como las ondas de sonido a través del aire, los científicos hablan de "escuchar" las señales gravitacionales. Adoptando esa metáfora, qué maravilloso imaginar que el segundo centenario de la relatividad general puede ser motivo para que los físicos celebren haber escuchado finalmente los sonidos de la creación.
Nota del editor, 29 de septiembre de 2015: una versión anterior de este artículo describió de manera inexacta cómo funcionan los sistemas GPS. El texto ha sido modificado en consecuencia.
