MATEMÁTICAS, FÍSICA Y QUÍMICA: Astronomía y Astrofísica

El tiempo no pasa por Einstein

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El 18 de abril de 1955, justo hace ahora 60 años, murió Albert Einstein, el científico más popular del siglo XX. El aniversario coincide este año con el centenario de su teoría de la relatividad general, que presentó en 1915 ante la Academia Prusiana de las Ciencias. Tres físicos españoles valoran para Sinc la figura de este genio y su famosa teoría, que cambió para siempre nuestra visión del espacio, el tiempo y el universo.

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Enrique Sacristán | | 18 abril 2015 09:00

<p>Las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein cambiaron la visión del espacio, el tiempo y el universo. / <a href="http://spark.sciencemag.org/generalrelativity/?utm_campaign=scipak" target="_blank">Science/Ngliyen</a></p>

Las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein cambiaron la visión del espacio, el tiempo y el universo. / Science/Ngliyen

“Es de mal gusto prolongar artificialmente la vida. He hecho mi parte, es hora de irse. Lo haré con elegancia”. Con estas palabras Albert Einstein (Ulm, Alemania-1879, Nueva Jersey, EE UU-1955) rechazó una nueva cirugía en el hospital de Princeton tras la rotura de aneurisma de aorta abdominal que había sufrido el 16 de abril de 1955.

Dos días después murió a la edad de 76 años. De acuerdo a sus deseos y en la intimidad, su cuerpo enseguida fue incinerado y las cenizas arrojadas al río Delaware. Solo su cerebro ha permanecido a lo largo de las décadas por la sustracción que hizo el patólogo del hospital durante la autopsia. Confiaba en que algún día la mente del genio de la física pudiera desvelar sus secretos.

Pero Einstein dejó su legado como hacen los científicos: publicando sus trabajos. Su Annus Mirabilis fue 1905, cuando  presentó cuatro artículos fundamentales. Uno sobre el efecto fotoeléctrico le valió el Premio Nobel de Física en 1921, otro trataba sobre el movimiento browiano de las partículas –esencial para entender el átomo– y un tercero planteó su famosa fórmula E=mc2, indicando que la energía de un cuerpo es igual a su masa por la velocidad de la luz al cuadrado.

El cuarto artículo versaba sobre la electródinámica de cuerpos en movimiento, donde ya establece que la velocidad de la luz es constante y presenta la ‘teoría de la relatividad especial’, cuyos cálculos se plantearon en ausencia de fuerzas gravitatorias.

Una década más tarde, el 25 de noviembre de 1915, Einstein presentó ante la Academia Prusiana de las Ciencias la ‘teoría de la relatividad general’, en la que ya tiene en cuenta los efectos de la gravedad. Esta teoría, cuyo centenario celebramos este año, supuso toda una revolución para la ciencia, revelando que el espacio y el tiempo –que no transcurre igual en todas partes– están entrelazados y se pueden deformar. El avance ha deslumbrado desde entonces a los físicos.

JoseEdelstein

José EdelsteinUniversidad de Santiago de Compostela

Hace seis décadas dejó de respirar el físico más brillante de todos los tiempos. Albert Einstein irrumpió en el universo académico a los 26 años de un modo al que incluso le queda corto el adjetivo de sobrehumano. Publicó cuatro trabajos como único autor: sobre la naturaleza de la luz, de las moléculas, de la masa y del tiempo. Cada uno de ellos significó una revolución científica de tal calado que el único corolario razonable habría sido la concesión de cuatro premios Nobel. Solo lo recibió por su explicación del efecto fotoeléctrico a través de los fotones, hito fundacional de la física cuántica. Cuando parecía imposible superarse, exactamente hace cien años, Einstein presentó las ecuaciones de la teoría de la relatividad general.

"La importancia y belleza de la obra de Einstein no tienen parangón en la historia de la humanidad"

“Querido Sommerfeld, no te molestes conmigo por responder tu amable e interesante carta recién hoy. Este último mes ha sido uno de los más estimulantes y agotadores de mi vida. Quizás también el más exitoso. No podía pensar en escribir”. Esto le escribía a uno de los pioneros de la teoría atómica, Arnold Sommerfeld, el 28 de noviembre de 1915. Tres días antes había presentado su teoría de la gravitación que echaba por tierra aquella que Isaac Newton construyera más de tres siglos antes, y en la que se basaba hasta ese entonces la comprensión del movimiento de los planetas y las estrellas.

La gravedad no es más que el efecto que produce la curvatura del espacio y del tiempo. Se desprendían consecuencias drásticas. La luz debía curvarse al pasar cerca de un cuerpo muy masivo, como una estrella. Aprovechando el eclipse total de Sol, del 29 de mayo de 1919, una expedición encabezada por el astrofísico británico Arthur Eddington comprobó que, en efecto, esto ocurría. Einstein se convirtió de inmediato en una suerte de deidad planetaria, con solo 40 años.

También se desprende de su teoría que el tiempo no transcurre al mismo ritmo en todos lados: su devenir es más lento cuanto mayor es la gravedad. Esto se pudo demostrar en vida de Einstein, aunque la confirmación definitiva llegó poco después de su muerte. Jamás habría imaginado que pocas décadas mas tarde cientos de millones de personas estarían comprobando a diario ese efecto al utilizar el GPS, cuyo funcionamiento tiene en cuenta la cadencia distinta de nuestros relojes y los que están en los satélites para triangular la posición.

En el complejo entramado del universo físico, Einstein siempre supo a qué tuerca había que darle la vuelta. Incluso cuando estuvo equivocado. Dos de sus ‘errores’ han sido la base de la mejor explicación disponible actualmente para la energía oscura –que constituye el 75% del contenido energético del Universo– y de una de las disciplinas más prometedoras del panorama actual: la computación cuántica. La importancia y belleza de la obra de Einstein no tienen parangón en la historia de la humanidad.

AlbertoCasas
Alberto CasasInstituto de Física Teórica (UAM-CSIC)

Albert Einstein ya era un físico mundialmente famoso en 1915, con un historial de éxitos científicos al nivel de los más grandes de la historia. Pero su máxima contribución a la ciencia, la teoría de la relatividad general (RG), llegó aquel año después de 8 años de intenso trabajo.

Esta teoría supone una perspectiva radicalmente nueva y revolucionaria sobre conceptos que habían parecido inamovibles durante siglos, como el espacio y el tiempo, la masa y la gravedad. Según la RG, el espacio-tiempo –como un todo– no es algo inerte, inmutable y ‘plano’, sino que se asemeja más a un trozo de goma, que puede estirarse, contraerse, curvarse y retorcerse. La forma en que lo hace está determinada por lo que hay en él, es decir, materia y energía. Por otro lado la geometría resultante del espacio-tiempo es la que modifica las trayectorias de los objetos, produciendo la ‘ilusión’ de una fuerza gravitatoria. Todo esto son conceptos revolucionarios.

"La relatividad general es uno de los dos pilares sobre los que se basa la física moderna, junto a la mecánica cuántica"

La relatividad general es uno de los dos pilares sobre los que se basa toda la física moderna (el otro es la mecánica cuántica) y supone la teoría más precisa que tenemos para describir la gravitación. Sus predicciones han sido puestas a prueba en numerosísimas ocasiones, siempre exitosamente, y a menudo con un grado de precisión fantástico. Entre ellas se puede mencionar el hecho de que el tiempo transcurre a diferente velocidad según la intensidad del campo gravitatorio; lo que fue utilizado, 80 años después de su formulación, para desarrollar el sistema GPS de geolocalización.

Además, la teoría de la relatividad general es la base de la cosmología moderna, que conduce a predicciones extraordinarias. Un ejemplo es el hecho de que el universo tuviera su origen en un Big Bang, un hito intelectual de la ciencia moderna.

Es una teoría viva, no solo porque funciona a las mil maravillas, sino porque no ha sido estudiada en toda su profundidad. Muy posiblemente necesite modificaciones para resultar compatible con la mecánica cuántica, que también es un área de trabajo prioritaria en física teórica. En resumen, la teoría de la relatividad general es una cumbre del pensamiento humano, de una belleza y precisión sobrecogedoras, y cuyas implicaciones aún no han sido exploradas completamente.

CarlosBarcelo

Carlos BarcelóInstituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC)

Hace cien años un físico estaba a punto de revolucionar definitivamente nuestra forma de entender el universo. Era Albert Einstein, que ya en 1915 destacaba por sus importantísimas contribuciones a la física. Habían pasado 10 años desde que propusiera su archifamoso principio de relatividad y la constancia de la velocidad de la luz. La teoría de la luz encajaba perfectamente con esta relatividad especial pero no así la gravedad de Newton. Pero justo hace un siglos, años de titánica lucha por encajar la gravedad con la relatividad llegaban a su fin: Einstein las ecuaciones que describían la nueva gravitación, la relatividad general.

"La detección de las ondas gravitatorias constituye uno de los retos científicos actuales más importantes"

No es difícil argumentar que la relatividad general es la obra cumbre de Einstein y una de las obras cumbre de la ciencia del siglo XX. De hecho, es la que ha hecho posible que podamos reflexionar de forma científica sobre el universo como un gran teatro autocontenido donde todo sucede.

La teoría de la relatividad general que hoy utilizamos es la misma propuesta hace 100 años. Sin embargo, lo que en sus inicios era exclusivamente ‘una teoría’, de difícil manejo y escasa utilidad práctica, conforma en la actualidad una gran red de desarrollos teóricos y aplicaciones prácticas. La semilla original ha dado lugar a un frondoso árbol que da sombra a multitud de desarrollos científicos. Algunos tan cotidianos como los GPS de nuestros móviles, los que sin los cálculos precisos de la relatividad general no podrían funcionar.

Pero la revolución relativista más profunda todavía está por abrir. La comunidad científica está embarcada en la búsqueda de las ondas gravitatorias predichas por la RG. Según esta teoría, ampliamente comprobada, el espacio-tiempo puede ondularse cual estanque cuando cae una piedra. Esencialmente, cualquier fenómeno gravitatorio energético produce ondas gravitacionales que después se difunden por todo el universo. La detección directa de dichas ondas todavía no se ha conseguido y constituye uno de los retos científicos más importantes de nuestro tiempo.

La inversión y el desarrollo tecnológico implicado en esta aventura presenta unas dimensiones  enormes, comparable al del Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Los gigantes interferómetros en tierra LIGO, VIRGO, GEO600 ya funcionando y el proyectado interferómetro espacial e-LISA (con su versión de prueba LISA pathfinder que volará en el 2015 y que cuenta con una importante participación española) son los abanderados de esta búsqueda. La detección de estas esquivas ondas abrirá un nuevo dial al universo iluminando sus zonas más oscuras.

El chiste favorito de Einstein

Einstein

Frank Wilczek, premio Nobel de Física en 2004, suele contar lo que él llama 'el chiste favorito de Einstein'. Tiene buenas razones para estar bien informado al respecto, dado que vivió en la propia casa del genio judío cuando trabajó en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (EE UU). El chiste cuenta que una persona tiene un problema en su coche, un ruido persistente que nadie ha podido resolver. Se lo comenta a un amigo, diciéndole que ya ha pasado por decenas de talleres y nadie ha dado en el clavo. Este le dice que conoce a un mecánico excepcional y le aconseja visitarlo.

El mecánico recomendado enciende el coche, lo escucha un rato y piensa en silencio. Finalmente, gira de manera casi imperceptible una tuerca con una llave inglesa y dice: "Ya está". En efecto, el ruido ha desaparecido. De la sorpresa inicial, el cliente pasa rápidamente al estupor cuando el mecánico le indica que le debe 1.000 euros por el trabajo. "¡Pero si no hizo prácticamente nada! ¡exijo una factura pormenorizada!". El mecánico, impasible, desglosa la factura con dos conceptos. Uno, girar una tuerca del motor: 1 euro.  Dos, saber qué tuerca hay que girar: 999 euros.

El reto de la física cuántica y los agujeros negros

El Santo Grial para los físicos es lograr unificar la teoría de la relatividad de Einstein con la física cuántica. En concreto, descubrir las leyes de la denominada gravedad cuántica, que se supone son las que gobiernan el universo. Si salen a la luz se podría averiguar como se originó el universo y lo que pudo haber antes.

También son las leyes que rigen lo que sucede en el interior de los agujeros negros, donde la materia desaparece y sólo queda el espacio-tiempo deformado. Recientemente la película Interestellar ha ofrecido una de las mejores representaciones de un agujero negro, un extraño lugar que hace que en su entorno una hora equivalga a siete años en la Tierra. Estos objetos se consideran la mejor guía para entender las propiedades de la futura teoría cuántica de la gravedad.

Cuestionario: ¿Qué sabes de Einstein?

Zona geográfica: España
Fuente: SINC

Enrique Sacristán

Enrique Sacristán

Periodista y biólogo, en SINC es el redactor de las ciencias ‘duras’: matemáticas, física y química.

Comentarios

  • Javier Guerrero Frescotti |20. abril 2015 09:14:21

    Excelente articulo y reportaje! :)

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  • Josep Martí Rosanes |22. abril 2015 09:33:51

    Hola Sr. Enrique Sacristán.
    Hoy en día, la relatividad general de Einstein sigue siendo la mejor comprensión de los científicos de la gravedad y una clave para nuestra comprensión del cosmos en la mayor escala.
    Después de cien años…
    Einstein i sus teorías, aún hoy en día, son como un enorme faro que nos deslumbran. Es tan grande su resplandor, que nos guía en el camino pero al mismo tiempo, nos ciega la comprensión tanta luz.
    Se dice, que en el tiempo que Einstein formulo sus teorías de relatividad, en todo el mundo apenas había cuatro personas que realmente las comprendían en su totalidad.
    El problema de la relatividad general de Einstein, es que después de cien años, todavía no la hemos comprendido bien del todo.
    La utilizamos i comprobamos espectacularmente la veracidad de los resultados que predice. Pero sin embargo desde que Einstein formulo la relatividad general, parece que ir más allá en la comprensión de lo que llamamos gravedad nos está resultando muy complicado, aún que sabemos muy bien que la relatividad general tiene sus límites.
    Pero la relatividad general tiene problemas, dentro de su estructura tiene una incompatibilidad.
    Deberíamos tener siempre muy claro, que toda teoría que pretenda estudiar un estado de un sistema físico o universo, mediante lo que venimos llamando un lenguaje, u otro sistema que nos permita estudiar i realizar cálculos o predicciones sobre el sistema físico que estemos estudiando. Siempre estará compuesta, la teoría correspondiente, como mínimo por dos sistemas, el sistema propiamente dicho físico i el lenguaje o en el caso más común en las teorías que estudian los sistemas físicos, el sistema de cálculo. Ambos sistemas i esto es muy importante, con sus respectivas leyes i propiedades, tiene de ser en todo momento i en cualquier estado de evolución, totalmente compatibles.
    La relatividad general de Einstein, no puede describir sistemas físicos o universos en ciertos estados de evolución. La estructura de las propiedades físicas con la estructura de las propiedades de cálculo deja de ser compatibles en ciertos estados de la evolución de los sistemas físicos o universos a estudiar. Tal i como son las evoluciones de los sistemas físicos o universos, con velocidades cercanas a luz, movimientos nulos i grandes densidades de materia o energía.
    Esto no quiere decir que la relatividad general o el sistema de cálculo estén mal, simplemente quiere decir que una de las unidades que estamos empleando, no tiene un comportamiento compatible en algún momento de la evolución del sistema físico o universo, con las propiedades establecidas. Esto es debido, a que en la formulación de la teoría, alguna de las propiedades de las unidades empleadas son omitidas o desconocidas, pudiendo ser propiedades o características de las magnitudes físicas que solamente aparezcan bajo ciertos momentos dela evolución de los sistemas físicos o universos.
    La Gravedad dentro de la formulación de la relatividad general, está representada por una magnitud constante. La relatividad general entiende la gravedad como una deformación o curvatura del espacio causada por la materia o la energía. Está forma de entender la Gravedad dentro la relatividad general, solamente funciona dentro de un rango de velocidades i concentración de materia i energía, en la evolución de los sistemas físicos o universos descritos por la teoría de la relatividad general.
    La aparición de singularidades o infinitos en la evolución de sistemas físicos o universos, descritos por la teoría de la relatividad general, es el aviso que dentro de la estructura o unidades de la teoría hay una incompatibilidad.
    La magnitud que representa la Gravedad como una constante gravitatoria, no es una constante, en realidad es una variable, que depende de las propiedades de la evolución del espacio.
    La relatividad general, tal i como está formulada con una constante gravitatoria es una teoría restringida.
    Einstein era realmente un genio, ni siquiera en la introducción de la constante cosmológica se equivocó.
    El problema de Einstein, fue la manera de entender el espacio en su época. A causa del experimento de Michelson-Morley, la luz viaja a una velocidad constante en el vacío.
    Para hacer que la relatividad general, no sea una teoría restringida sin que deje de funcionar, hay que hacer ciertas modificaciones en la interpretación i manera de entender: La Gravedad, el Espacio, La Materia i la Energía.
    Las singularidades solamente nos avisan de la aparición de incompatibilidades dentro de una teoría, del sistema físico con el sistema de cálculo, que están representados en dicha teoría.
    Esto solamente es un pequeño resumen, de lo que todavía podemos extraer del trabajo de un genio como Albert Einstein.
    Josep Martí Rosanes

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  • Camilo Javier García Tobar |18. noviembre 2015 09:00:23

    Es verdad..la teoria de la relatividad general de Einstein es uno de los mas grandes logros de la mente humana, pero como sabemos en ciencia una teoría al no encajar en la explicación de los fenómenos observados, no necesariamente se descarta sino que se modifica. Es seguro que a la teoría le falta muchos más detalles que nos permitan entender fenómenos hasta la fecha inexplicables, algunos detalles se han ido descubriendo, pero otros aún se ignoran, y que Einstein a pesar de su genio también ignoraba. Hay muchas cosas que no entendemos aún como ¿qué es la materia y energía oscura?, ¿Existen y se pueden probar la existencia de universos de más de 3 dimensiones? e infinidad de otros hechos.
    En fin... como dijo otro gran sabio Sir Issac Newton: "somos niños jugando con una piedra pequeña en la arena de una playa pero ante nosotros esta la inmensidad del océano del saber"...
    Muy intersante el artículo y espero que sigan publicando.

    Camilo García Tobar
    Estudiante Universitario
    Ecuador

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