La relatividad general

La relatividad general es nuestra mejor teoría moderna de la gravitación. El dogma central de la teoría es que la presencia de materia curva el entramado del Universo. Una forma sencilla de visualizar cómo funciona la relatividad general es estirar tensamente una bolsa de basura sobre la boca de una papelera, luego colocar sobre ella un cojinete de bolas de modo que el cojinete distorsione la superficie.

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Si luego hacemos rodar una canica pequeña por el plástico, se verá desviada de su rumbo. Si no supiéramos nada de la deformación del plástico, diríamos que el cojinete de bolas ejerce una fuerza sobre el otro. En la relatividad general, por su parte, decimos que un objeto distorsiona el entramado del espacio-tiempo y en consecuencia ocasiona cambios en el movimiento de otros objetos.

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Albert Einstein (1879-1955)

La teoría de Einstein no invalida la gravedad newtoniana. Si examinamos las ecuaciones de la relatividad general y las extrapolamos a un régimen donde las masas sean pequeñas, hallaremos que se convierten exactamente en las ecuaciones que obtendríamos de la ley de la gravitación universal de Newton. En otras palabras, la relatividad general contiene la gravedad newtoniana y la extiende, pero no la invalida para la región para la que estaba destinada su uso.

Hay muy pocos lugares en el universo donde la relatividad general sea importante. Para la vida cotidiana, para enviar sondas por el sistema solar, y para cualquier otra situación en la que es probable que nos hallemos, no necesitamos preocuparnos por la relatividad general.

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La razón es que los efectos de la relatividad general son normalmente tan pequeños que podemos llegar a prescindir totalmente de ellos, y la buena vieja teoría de la gravedad newtoniana funciona maravillosamente.

Tenemos que recurrir a la relatividad general sólo en casos donde los objetos sean muy masivos, como por ejemplo, en las inmediaciones de los agujeros negros, cuando hay implicadas largas distancias, por ejemplo, cuando se trabaja en cosmología, o cuando se toman mediciones muy precisas. En todos los demás casos, podemos ignorar el hecho de que la ley de Newton es sólo una aproximación a una teoría mejor.

La relatividad general predice que la luz se curvará cuando llegue cerca del Sol. En 1919, Arthur Eddington, más tarde Sir Arthur, hizo lo que mucha gente considera como la más espectacular y mejor conocida confirmación de la teoría de la relatividad.

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Sir Arthur Eddington (1882-1944)

Tras viajar a la costa de África para observar un eclipse solar, observó que la posición aparente de las estrellas cerca del borde del Sol parecía estar desplazada durante el eclipse, un desplazamiento que sólo podía producirse si la luz de la estrella era curvada cuando pasaba junto al sol.

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Tanto la gravedad newtoniana como la relatividad general predicen que esa curvatura debería producirse, pero predicen cifras diferentes para el ángulo de deflexión. Cuando Eddington verificó las predicciones de la relatividad de Einstein, el hecho causó sensación en la prensa y puso a Einstein en el camino de convertirse en una figura pública importante.

Hoy en día, las mediciones de la curvatura de la «luz» se efectúan sobre las ondas de radio de los distantes quasares antes que sobre la luz. Confirman la relatividad general con una exactitud de aproximadamente un 1 por ciento.

Hay otros dos tests que completan las verificaciones clásicas en la predicción de la relatividad general. Uno de ellos tiene que ver con un muy pequeño efecto sobre la órbita del planeta Mercurio, un efecto llamado el «avance del perihelio«. Si examinamos la órbita elíptica del planeta durante largos periodos de tiempo, veremos que el eje de la elipse gira lentamente.

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En otras palabras, el punto en el que el planeta efectúa su mayor aproximación al Sol se mueve firmemente en largos períodos de tiempo. El avance no es mucho, menos de un grado por siglo. La mayoría de este llamado «avance del perihelio» es debido a los efectos gravitatorios de los otros planetas, en particular Júpiter. Una pequeña cantidad, sin embargo, unos cuarenta y dos segundos de arco por siglo, era inexplicable hasta que Einstein demostró que era debida a los efectos de la relatividad general.

Empezando en los años sesenta los astrónomos han usado el radar para efectuar observaciones muy exactas de las órbitas de todos los planetas interiores, de Mercurio a Marte. Esas determinaciones del avance del perihelio de los planetas constituyeron probablemente las más estrictos pruebas de la relatividad general disponibles en otros momentos.

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El otro test de la relatividad se refiere al hecho de que, a medida que la luz se mueve por la superficie de la Tierra, la fuerza de la gravedad actúa sobre ella y ocasiona un alargamiento de su longitud de onda. Este efecto fue verificado a finales de los años cincuenta.

La relatividad general fue aceptada sobre un terreno experimental muy frágil, solo tres experimentos. Sin embargo, muchos científicos están ahora dedicados a idear nuevas pruebas para la teoría usando modernos instrumentos de alta precisión.

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La esfera giratoria de cuarzo a usar en el test sobre la relatividad general es el objeto más redondo del mundo. Con sólo unos pocos centímetros de diámetro, si fuera hinchada a las medidas de la Tierra, la «montaña» más alta tendría tan sólo 30 cm. de altura.

La relatividad general no puede ser la teoría final de la relatividad, y la razón es muy simple. No hay espacio en la teoría para los efectos gravitatorios a una escala muy pequeña, como por ejemplo, sobre distancias mucho más pequeñas que el tamaño de un protón, y por ello la teoría debe ser echada a un lado y reemplazada por algo distinto.

Presumiblemente, esa nueva teoría contendrá la relatividad general como un caso especial, del mismo modo que la relatividad general contiene la gravedad newtoniana.

Uno de los mejores entre los modernos «gravitores cuánticos» es Stephen Hawking, cuyo libro «Historia del tiempo» fue un best-seller en 1989, al igual que todos sus otros libros, y cuya aflicción con la ELA (la enfermedad de Lou Gehrig) lo convierte en una figura de talla monumental en nuestra sociedad.

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Stephen Hawking

Hawking enfoca el problema de la gravedad cuántica «cosiendo» juntas las dos teorías. En otras palabras, pone la relatividad y la mecánica cuántica juntas a mano, antes que, como intentan hacer otros físicos, desarrollando un principio general del que el matrimonio de las dos teorías sea un resultado general.

Una consecuencia de la obra de Hawking es su predicción de que los agujeros negros, que son absolutamente estables en la teoría de general de la relatividad, convertirán su masa en radiación, la llamada radiación de Hawking. Los agujeros negros desaparecerán entonces tras largos períodos de tiempo. Sus ideas se hallan también detrás del nuevo campo de los «universos bebés«.

El lugar donde la mecánica cuántica y la gravedad se unen más espectacularmente es en el estudio del Universo primitivo. El fenómeno de la inflación, por ejemplo, es un efecto que implica a la vez la interacción de partículas elementales y la curvatura del espacio-tiempo por la materia; es decir, es un híbrido de la mecánica cuántica y la relatividad general.

Además, los «universos bebés» de Stephen Hawking y el «universo en nuestro sótano» de Alan Guth son ambas ideas que dependen de la unión de la mecánica cuántica y la gravedad.

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Alan Harvey Guth

En ambas teorías, imaginamos el entramado del espacio-tiempo del Universo como algo similar a un gran globo que, a una escala muy pequeña, tiene protuberancias e irregularidades en él.

Esas protuberancias e irregularidades son causadas por los efectos cuánticos. En algunas teorías ocurre ocasionalmente que una de esas irregularidades puede crecer, como un aneurisma. Si lo hace, puede llegar a formar su propio pequeño universo que viaja paralelo al nuestro, y de ahí recibe el nombre de «universos bebés».

Desde el punto de vista de Hawking, esos universos son creados todo el tiempo. Guth, en cambio, se pregunta si puede llegar a ser posible, incluso en principio, que los seres humanos produzcan y manipulen las aneurismas. Por eso lo llama «crear un universo en nuestro sótano». Su respuesta a si eso es posible es: «probablemente, pero no pronto.»

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