Albert Einstein quizá sea el científico más famoso de la historia de la ciencia. Paradigma del físico inteligente pero despistado su imagen nos la podemos encontrar desde serigrafiada en camisetas o utilizada en anuncios de cerveza.
Quizá su legado más importante sea la Teoría de la Relatividad, la cual trata de explicar con mayor precisión el mundo físico que nos rodea. Ya en su época se decía que solo existían tres personas en el mundo capaces de comprenderla. Hoy en día el gran público asocia esta teoría a conceptos tales como viajes en el tiempo, agujeros negros o saltos en el hiperespacio.
Analicemos con el lenguaje de la calle que se esconde tras las complicadas fórmulas matemáticas y las oscuras divagaciones filosóficas de una de las contribuciones más grandes a la humanidad.
La teoría de la Relatividad de Einstein predice, entre otras muchas cosas, que en la cercanías de una masa el espacio se curva y que una de las consecuencias de esta curvatura es la gravedad, la cual ya no es una fuerza, sino una ilusión geométrica. Dicho así nos lo podemos creer o no, porque entenderlo resulta complicado.
Imaginemos que nos sometemos a un experimento científico sin saber antes de qué se trata. Para ello nos vendan los ojos y nos dicen que nos van a encerrar en una caja de 5 x 5 metros perfectamente iluminada y que nos preparemos para un largo viaje. Nos van a sedar antes de llegar a nuestro destino. Nuestro papel en el experimento será, una vez que nos despertemos, liberarnos de la venda y tendremos que responder mentalmente a unas preguntas propuestas en un cuaderno que nos encontraremos dentro de la caja.
Empezemos el experimento. Despertamos y abrimos los ojos, increíblemente nos encontramos flotando en el aire. Miras tus pies y no pisan nada, te cercioras de que no estás sostenido por ningún hilo. Es increíble la sensación. La caja es bastante grande, pero podemos tocar cualquiera de sus paredes simplemente desplazándonos por el aire. Nos sentimos livianos como si fuésemos Supermán, un pequeño impulso y nos movemos en cualquier dirección.
Nos acordamos del cuaderno. Está allí a nuestro lado, flotando lo mismo que tú. Qué gracia, casi no te cuesta sujetarlo entre tus manos. Lo abrimos por la primera página la cual nos muestra la primera interrogación:
“¿Dónde crees que estás?”
¿Qué donde estoy? Qué pregunta más tonta, me han transportado a la Estación Espacial Internacional, por supuesto. Alucinante, si me lo hubiesen dicho antes, no me lo creería. Es la experiencia de mi vida. Pasemos a la siguiente página:
“¿Sientes la fuerza de la gravedad?”
No, todos sabemos que en el espacio exterior la gravedad es cero. Por eso puedo flotar en el aire.
El científico inglés Isaac Newton descubrió que toda fuerza, la de la gravedad incluida, imprime una aceleración sobre el cuerpo sobre el que se aplica. La aceleración de la gravedad en la Tierra, denominado simplemente g, tiene un valor de 9,8.
“¿Cuánto sientes que pesas?”
Nada. No peso nada. En el espacio al no haber gravedad no puede existir el peso. Eso lo sabe hasta un niño de primaria. A ver cuál es la siguiente pregunta.
“¿Podrías orientarte y decir cual es la parte de arriba o abajo de la caja?”
Si me fijo en las paredes del cubo las veo todas idénticas, no distingo una de las otras Puedo girar en cualquier dirección sin ningún problema. Me ponga como me ponga no dispongo de ningún punto de referencia para decir si estoy boca arriba o boca abajo.
“Fin del experimento”
Nada más leer esta frase empiezas a sentir algo extraño. Te empiezas a sentir pesado y te ves empujado hacia una de las paredes de la caja. Después de un rato te das cuenta de que te puedes levantar. Has recuperado tu peso normal. Si sueltas el cuaderno, ya no flota, sino que cae hacia el suelo. Vuelve a existir el concepto de arriba y abajo.
Ahora ya no entiendes nada. ¿Dónde estás? O mejor aún, ¿dónde has estado? Se abre unos de los laterales de la caja y una mano te invita a salir mientras alguien te dice: “Te lo voy a explicar”.
Te ha pasado algo parecido a esto:
Se llama microgravedad, una especie de ingravidez debido a la caída libre. Incluso en el vídeo vemos que puede variar el valor de la gravedad terrestre a 2g (más pesadez), 1/3 de g (menos pesadez), simplemente variando la aceleración del avión.
El gran sabio alemán ya se dio cuenta en su día de este hecho y supo plantearse la siguiente pregunta —y nosotros con él gracias a nuestro experimento: ¿Qué fuerza es la de la gravedad que la pudimos hacer “desaparecer” aunque solo fuese dentro de la caja o, como en el vídeo, crecer o incluso decrecer a nuestro antojo?
Para nosotros, que estábamos dentro de la caja, con nuestro sistema de coordenadas, no existía gravedad ninguna, pero en cambio para el científico que nos observaba desde fuera, con otro sistema de coordenadas, estaba seguro de que sí nos afectaba. Pese a su sencillez nadie antes que Einstein había reparado en esta conclusión: que la gravedad depende del estado de movimiento del observador. Volvamos a incidir en ello, para lo que hay dentro de la caja: nosotros mismos, el cuaderno y todo lo demás estaba en reposo, pero para el científico que estaba fuera todas las cosas caían aceleradas de acuerdo a la ley de gravitación de Newton. Entonces, ¿hay gravedad o no hay gravedad? ¿Quién tiene razón? Einstein diría que los dos tenemos razón. Einstein relativizó la gravedad y a partir de ahí empezó a sospechar que una fuerza que aparecía y desaparecía según fuese el observador en realidad no podía ser ninguna fuerza.
A esta equivalencia entre la gravedad y aceleración lo llamó “Principio de Equivalencia”. Explicado físicamente: en un sistema acelerado carente de gravedad (nuestra caja) todos los acontecimientos se desarrollan de la misma manera que en un campo gravitatorio en reposo (fuera de la caja), y viceversa. Con ello Einstein le da credibilidad a los dos observadores.
Tal afirmación nos deja abierto el camino a otras posibilidades, por ejemplo podemos crear una gravedad como consecuencia de una aceleración. Esto mismo lo podemos ver recreado en la película de Stanley Kubrick “2001, una Odisea del espacio”, los tripulantes de la nave Discovery, la cual tiene forma de anillo, estaban sometidos en su interior a la gravedad terrestre gracias que ésta giraba sobre su eje.
El Principio de Equivalencia y nuestra caja nos va a servir para explicar la siguiente deducción que encontró Einstein: “El espacio se curva alrededor de una masa de tal forma que un rayo de luz que pasa rozando esa masa se desviaría de su trayectoria rectilínea”.
Con ello Einstein llega a la conclusión que la gravedad no es una fuerza sino una “curvatura” del espacio que induce a los cuerpos que se mueven a seguir esa trayectoria porque es la más corta. La física al final queda reducida a pura geometría.
Ya en tiempos de Newton los físicos sentían a la gravedad como un fenómeno misterioso, una fuerza que actuaba a distancia de forma instantánea a través del espacio y que no necesitaba de ningún medio para propagarse. Algo no cuadraba y estaba en oposición con lo que se sabía de las fuerzas mecánicas.
Había algo de insatisfactorio en estas premisas hasta que Einstein llegó con su Teoría General de la Relatividad para explicar que el espacio que nos rodea está curvado por la materia que se encuentra dentro de él, y que la gravedad no es más que una consecuencia de este hecho.
Ya relativizamos la fuerza de la gravedad a través de un experimento dentro de una caja, y pudimos jugar con ella, hasta hacer incluso que desapareciera. Asimismo propusimos que todos los sucesos que acontecían en el interior de la caja eran equivalentes a los que pasaban en su exterior. A esto le llamamos “Principio de Equivalencia”.
Volvamos al interior de la caja. Supongamos que durante el experimento abrimos un minúsculo agujero en una de las paredes de la caja. Con ello dejamos que pase un hilo de luz.
El rayo de luz atravesará el interior de la caja y chocará contra la pared opuesta. En teoría observaremos un haz de luz recto. Pero si analizamos con más detalle sucede realmente otra cosa: la caja cae en caída libre con una aceleración de 9,8 m/s2, así que en el tiempo que tarda en llegar la luz a la pared opuesta, la pared se ha desplazado hacia abajo una cierta distancia, por lo que la luz no incidirá en el punto que nosotros pensamos sino un poco más arriba. Como según nuestro sistema de referencia estamos en reposo y no existe gravedad, lo que observaremos es que el rayo se ha curvado.
Obviamente la curvatura de la figura está exagerada. Solo si la caja cayese a una velocidad muchísimo mayor, esta desviación se haría evidente ante nuestros ojos.
Pero nos da igual. La verdaderamente importante es que según el Principio de Equivalencia lo que ocurre en el sistema acelerado sin gravedad de dentro de la caja también debería ocurrir en el sistema gravitatorio en reposo que existe fuera de ella. O lo que es lo mismo, podemos deducir que fuera de la caja al existir gravedad, la luz también se verá curvada.
Einstein le dio forma matemática a este supuesto, pero le faltaba la demostración científica. Tuvo que ingeniárselas de alguna manera para demostrar su teoría. Sabía que la gravedad terrestre no era lo suficientemente grande como para observar esta distorsión de la luz, pero sí que le podía valer para su propósito la gravedad presente en la superficie del Sol, ya que el astro rey posee una masa 300.000 veces más grande que la Tierra.
Así que ideó el siguiente experimento: hay algunas estrellas que a veces se encuentran cerca del Sol si las observamos. Pero según la teoría de la Relatividad los rayos de luz que atraviesen la cercanía de la superficie solar se desviarán de su camino rectilíneo debido al campo gravitatorio lo suficiente como para que podamos observar que la visión de la estrella se desplaza con respecto a su posición normal en el firmamento.
Para ello se tenían que tomar dos fotografías de la estrella, una en cualquier momento del año y otra cuando el Sol casi se le interpusiera. Luego se compararían las dos fotografías y se mediría la desviación de posición que la Teoría de la Relatividad preveía. El único problema es que la luminosidad del Sol es tan grande que la segunda fotografía solo se podía tomar durante un eclipse total de sol.
El 19 de agosto de 1914 se esperaba un eclipse de sol en el sur de Rusia. Estaba programado que partiera hacia allí una expedición de científicos alemanes con sus instrumentos a punto para fotografiar las estrellas alrededor del sol eclipsado. Desgraciadamente el estallido de la Primera Guerra Mundial frustró estos planes.
No fue hasta el 29 de mayo de 1919 cuando el astrónomo inglés Eddington logró efectuar las fotografías en la costa occidental de África.
Al conocer estos resultados Einstein envió el siguiente telegrama a su madre: “Gozosas noticias hoy. La expedición inglesa ha comprobado la desviación de la luz por el sol”. Al día siguiente Einstein era primera plana en los periódicos de medio mundo.
La Teoría General de la Relatividad asegura que la gravedad no es ninguna fuerza, sino que es una consecuencia de la geometría del espacio. En el vacío del Cosmos, lejos de las grandes masas, el espacio es plano, y por ello los caminos son rectos pero en las cercanías de las grandes masas, en las cercanías de los soles y de los planetas el espacio está curvado, de ahí que los caminos más cortos que describen los cuerpos sean curvos.
Una vez relativizado el espacio, Einstein demolería otro de los pilares fundamentales sobre los que se sustentaba la física hasta ese momento: el tiempo absoluto. Algo que parecía inmutable, el paso del tiempo, incluso para los poetas que lo describían como el transcurrir implacable de un río, resultaría que era algo cambiante y elástico como el chicle.
Fuente:
runspect.users.sourceforge.net
-
Hace tiempo ya había posteado algo parecido, pero con estó complemento el paquete.
Nota: la figura de la curvatura de la luz a mi parecer esta mal ya que la curvatura debería ser hacia abajo: el rayo de luz entra y la caja se desplaza hacia abajo por tanto el punto de choque en la pared baja, lo que equivale al la curvatura inversa a la mostrada.