La teorÃa de la relatividad de Albert Einstein es famosa por su predicción de fenómenos bastante extraños pero reales, como el envejecimiento más lento de los astronautas respecto a las personas que vivimos en la Tierra y el cambio en la forma de los objetos a altas velocidades.
La verdad es que si tienes una copia del artÃculo original de Einstein de 1905 sobre la relatividad, es de lectura fácil. El texto es sencillo y claro y sus ecuaciones son, en su mayorÃa, álgebra: nada que presente un problema para un estudiante de instituto.
Eso se debe a que el objetivo de Einstein nunca fue elaborar una estrafalaria teorÃa matemática. Le gustaba pensar de forma visual, creando experimentos en su mente e intentando solucionarlos en su cabeza hasta poder ver las ideas y los principios fÃsicos con una claridad cristalina. Sus archivos llevaron incluso al FBI a investigar sus documentos.
Ahora, más de 100 años después de que el genio presentara su ecuación sobre la gravedad, el equipo de investigación del Instituto Max Planck de RadioastronomÃa (MPIfR), en Alemania, ha probado nuevamente y de manera precisa que Einstein tenÃa razón.
Un teorÃa adelantada a su tiempo
“Estudiamos un sistema de estrellas compactas, un laboratorio inigualable para probar las teorÃas de la gravedad en presencia de campos gravitacionales muy fuertes . Para nuestro deleite, pudimos probar una piedra angular de la teorÃa de Einstein, la energÃa transportada por ondas gravitacionales", afirma el autor del estudio Michael Kramer.
Los investigadores explican que las observaciones no solo están de acuerdo con la teorÃa, también demostraron efectos que antes no se podÃan estudiar, como la llamada danza de los púlsares. “Seguimos la propagación de fotones de radio emitidos por un faro cósmico, un púlsar, y rastreamos su movimiento en el fuerte campo gravitacional de un púlsar", explica Ingrid Stairs de la Universidad de British Columbia, en Vancouver (Canadá).
Con velocidades de aproximadamente un millón de kilómetros por hora, es su movimiento rotando entre sà lo que puede usarse "como un laboratorio de gravedad casi perfecto".
Investigadores de todo el mundo continúan sus esfuerzos para encontrar desviaciones en la relatividad general, lo que abrirÃa una ventana a la nueva fÃsica más allá de nuestra comprensión teórica actual del universo.
1895: Persiguiendo un rayo de luz
A continuación te explicamos cómo Einstein comenzó sus experimentos mentales con solo 16 años y cómo esto le llevó finalmente a crear la ecuación más revolucionaria de la fÃsica moderna.
Sus descabelladas predicciones de la relatividad acerca del comportamiento de la materia, el espacio y el tiempo han probado ser correctas durante 100 años consecutivos.
Para entonces, el desprecio mal disimulado de Einstein por los métodos educativos rÃgidos y autoritarios de su Alemania natal ya le habÃa supuesto la expulsión del equivalente actual del bachillerato, por ello mudó su casa a Zúrich con la esperanza de asistir a la Escuela Politécnica Federal (ETH). Sin embargo, no logró pasar el examen de admisión, por lo que decidió asistir durante un año a una escuela en Aarau, una ciudad cercana, para prepararse. La institución hacÃa hincapié en métodos vanguardistas como el pensamiento independiente y la visualización de conceptos. En ese entorno feliz, pronto empezó a preguntarse cómo serÃa correr junto a un rayo de luz.
Einstein ya habÃa aprendido en la clase de fÃsica qué era un rayo de luz: una serie de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se mueven a 299.792.458 metros por segundo, la medida de la velocidad de la luz. Si corriera junto a un rayo de luz a esa velocidad, razonaba Einstein, podrÃa ser capaz de observar una serie de campos magnéticos y eléctricos oscilantes justo a su lado, que en el espacio serÃan aparentemente estáticos.
Pero eso era imposible. Para empezar, dichos campos estáticos violarÃan las ecuaciones de Maxwell, las leyes matemáticas que codificaban todo aquello que conocÃan los fÃsicos del momento sobre la electricidad, el magnetismo y la luz. Las leyes eran (y son) bastante estrictas: cualquier onda en los campos tiene que moverse a la velocidad de la luz y no puede permanecer estática, sin excepciones.
Y lo que es peor: los campos estáticos no encajarÃan con el principio de relatividad, una noción que los fÃsicos han asumido desde los tiempos de Galileo y la era de Newton en el siglo XVII. Básicamente, la relatividad afirmaba que las leyes de la fÃsica no podÃan depender de la velocidad a la que te movieras; todo lo que podÃas medir era la velocidad de un objeto en relación a otro.
Pero cuando Einstein aplicó este principio en su experimento mental, originó una contradicción: la relatividad dictaba que cualquier cosa que pudiera ver mientras corriese junto a un rayo de luz, incluyendo los campos estáticos, también deberÃa ser algo que los fÃsicos de la Tierra pudiesen crear en el laboratorio. Pero nunca se habÃa observado algo asÃ.
Einstein dio vueltas a este problema durante otros 10 años, durante sus años de universitario en la ETH y tras mudarse a Berna, capital de Suiza, donde se convirtió en examinador en la oficina de patentes suiza. Allà fue donde consiguió resolver la paradoja de una vez por todas.
1904: Medición de la luz desde un tren en movimiento
No fue tarea fácil. Einstein puso a prueba todas las soluciones en las que pudo pensar, pero nada funcionaba. Empujado por la desesperación, empezó a pensar en una noción simple pero radical. Las ecuaciones de Maxwell funcionan para todo, pensó, pero quizá la velocidad de la luz siempre haya sido constante.
En otras palabras, cuando ves pasar volando un rayo de luz, no importa si su fuente se mueve hacia ti, se aleja de ti o se desplaza hacia un lado, ni tampoco importarÃa la rapidez a la que se mueve dicha fuente. Siempre medirÃas la velocidad del rayo a 299.792.458 metros por segundo. Entre otras cosas, eso significaba que Einstein jamás podrÃa ver campos estáticos oscilantes, porque nunca podrÃa atrapar ese rayo de luz.
Esta era la única forma en la que Einstein podÃa reconciliar las ecuaciones de Maxwell con el principio de relatividad. Aun asÃ, en un principio parecÃa que su solución tenÃa un gravÃsimo defecto. Einstein explicó posteriormente el problema mediante otro experimento mental: imagina disparar un rayo de luz a lo largo de una vÃa férrea mientras un tren circula en la misma dirección a unos 3.200 metros por segundo.
Alguien que esté junto a las vÃas medirÃa la velocidad del rayo de luz mediante el número estándar: 299.792.458 metros por segundo. Si la velocidad de la luz no fuera constante, las ecuaciones de Maxwell tendrÃan que funcionar de forma diferente dentro del vagón de tren y se habrÃa violado el principio de relatividad, concluyó Einstein.
Esta aparente contradicción dejó a Einstein devanándose los sesos durante casi un año. Más adelante, en una hermosa mañana de mayo de 1905, se dirigÃa al trabajo con su mejor amigo, Michele Besso, ingeniero al que conocÃa desde sus dÃas como estudiante en Zúrich. Ambos estaban debatiendo el dilema de Einstein, algo que hacÃan con frecuencia. Y de repente, Einstein vio la solución. Trabajó toda la noche y cuando se volvieron a ver la mañana siguiente, Einstein le dijo a Besso: «Gracias. He resuelto completamente el problema».
Mayo de 1905: Un rayo alcanza un tren en movimiento
La revelación de Einstein consistÃa en que los observadores en movimiento relativo experimentan el tiempo de forma diferente: es perfectamente posible que dos acontecimientos tengan lugar de forma simultánea desde la perspectiva de un observador, pero que ocurran en momentos diferentes desde la perspectiva del otro. Y ambos observadores estarÃan en lo cierto.
Einstein ilustrarÃa posteriormente este argumento mediante otro experimento mental. Imagina que de nuevo tienes un observador que está junto a las vÃas mientras pasa el tren. Pero este momento, un rayo alcanza el primer y último vagón justo cuando pasa frente a él el vagón central del tren. Debido a que ambos impactos ocurren a la misma distancia del observador, su luz llega al ojo al mismo tiempo. Asà que este observador puede afirmar sin equivocarse que ambos han sucedido de manera simultánea.
Mientras tanto, el otro observador está sentado en el punto medio exacto de este tren. Desde su perspectiva, la luz de ambos impactos también tiene que viajar la misma distancia, y del mismo modo medirá la velocidad de la luz como igual en ambas direcciones. Pero debido al movimiento del tren, la luz que procede del rayo en el vagón de cola tiene que viajar más distancia hasta el observador, alcanzándolo unos instantes más tarde respecto a la luz procedente del primer vagón. Debido a que los pulsos de luz han llegado en momentos diferentes, dicho observador solo puede concluir que los impactos no han sido simultáneos y que el impacto frontal sucedió primero.
En resumen, Einstein se dio cuenta de que lo que es relativo es la simultaneidad. Una vez aceptas eso, todos los efectos extraños que asociamos a la relatividad son simplemente una cuestión de álgebra.
Einstein redactó rápidamente sus ideas en un estado de euforia extrema y envió su artÃculo para que fuera publicado pocas semanas después. Le otorgó un tÃtulo (Sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento) que reflejaba su lucha por reconciliar las ecuaciones de Maxwell con el principio de la relatividad. Como conclusión incluyó un agradecimiento a Besso («a quien agradezco por algunas sugerencias valiosas») lo que garantizó a su amigo ser recordado por la posteridad.
Septiembre de 1905: Masa y energÃa
Sin embargo, este primer artÃculo no fue el último. Einstein siguió obsesionado con la relatividad durante todo el verano de 1905 y en septiembre envió un segundo artÃculo como una especie de idea adicional.
Estaba basado en otro experimento mental. Imagina un objeto en reposo, escribÃa. Ahora imagina que espontáneamente emite dos pulsos de luz idénticos en direcciones opuestas. Este objeto permanecerá quieto, pero debido a que cada pulso transporta cierta cantidad de energÃa, el contenido de energÃa del propio objeto disminuirá.
Ahora bien, decÃa Einstein, ¿cómo verÃa este proceso un observador en movimiento? Desde su perspectiva, el objeto simplemente seguirÃa moviéndose en lÃnea recta mientras los dos pulsos echan a volar. Pero aunque la velocidad de los pulsos serÃa la misma (la velocidad de la luz) sus energÃas serÃan diferentes: el pulso que se mueve hacia delante, en la dirección del movimiento, tendrÃa una energÃa mayor que el que se mueve hacia detrás.
Mediante fórmulas algebraicas, Einstein demostró que para que todo esto fuera coherente, el objeto no solo tiene que perder energÃa cuando emite estos pulsos de luz, sino que también tendrÃa que perder un poco de masa. O, en otras palabras, la masa y la energÃa son intercambiables.
Einstein escribió una ecuación en la que relacionaba ambos conceptos. Empleando la notación actual, que abrevia la velocidad de la luz mediante la letra c, creó la que probablemente sea la ecuación más famosa de la historia: E = mc2. NATGEO