Otro espacio y otro tiempo

reflexiones sobre la relatividad.

 

La relatividad general ha sido considerada en ocasiones la creación intelectual de mayor importancia realizada jamás por un solo hombre: Albert Einstein. No sólo revolucionó la visión de la naturaleza del espacio y el tiempo, sino también la percepción de la gravitación.

 Los físicos relativistas admiran la extraordinaria coherencia matemática, y por tanto la belleza, de sus ecuaciones. Nació en 1915 tras una laboriosa gestación que se remonta a la formulación de la relatividad restringida en 1905, el año milagroso de Einstein cuyo centenario se celebra ahora.
El fenómeno familiar de la gravitación se interpreta en relatividad general como la curvatura del espacio y el tiempo provocada por la presencia de cuerpos masivos. Esta descripción es consecuencia de un principio fundamental, el actualmente llamado “principio de equivalencia” de Einstein, que es la traducción en física moderna del hecho de que todos los cuerpos se aceleran del mismo modo en un campo gravitatorio.
A veces se afirma que la masa inerte de los cuerpos, que no es otra que su energía si se utiliza la equivalencia masa-energía de la relatividad restringida (E = mc²), siempre es igual a su masa gravitatoria. Galileo mostró la importancia de la “universalidad” del movimiento de caída libre de los cuerpos, aunque su famosa experiencia desde lo alto de la torre de Pisa sea probablemente apócrifa. Sin embargo, fue Einstein quien dio a este hecho experimental su estatus definitivo.
Ya en 1845, Le Verrier, en el Observatorio de París, un año antes de que descubriera Neptuno a partir de las perturbaciones generadas en Urano, vio que el semieje mayor de la órbita de Mercurio precesa en cada rotación con un ángulo ligeramente más avanzado que en la predicción teórica. La precesión es el movimiento circular del eje de rotación del planeta. Su cálculo se basó en las perturbaciones inducidas por los demás planetas, principalmente Venus, el más próximo a Mercurio, y Júpiter, el más masivo del Sistema Solar. El anormal e inexplicado avance del perihelio, que es el punto de la órbita de un planeta más cercano al Sol, dio paso a numerosas especulaciones, entre otras la existencia de un noveno planeta que sería interior a la órbita de Mercurio (llamado Vulcano por Le Verrier), la presencia de un anillo de materia en el plano de la eclíptica e incluso una modificación de la ley newtoniana que afirma que la atracción entre dos cuerpos es inversa a la distancia existente entre ambos al cuadrado.
Desde la obtención de las ecuaciones del campo gravitatorio en noviembre de 1915, Einstein demostró que las correcciones puramente relativistas al movimiento de un planeta sobre una elipse implican una rotación suplementaria del eje mayor de ésta. Los resultados numéricos estaban completamente de acuerdo con las observaciones, lo que supuso un éxito remarcable que convenció al científico alemán de lo correcto de la nueva teoría. Además, en esa época era la única validación experimental posible. Se trató del primero de los tests clásicos de la relatividad general en el Sistema Solar.
El segundo, incluso más célebre, fue el del ángulo de desviación de la luz procedente de una fuente lejana (un cuásar en las medidas más recientes) por el campo gravitatorio del Sol. El ángulo calculado, de 1,75” de arco, era dos veces el valor estimado en la teoría de Newton. Fue medido por Eddington en 1919 durante un eclipse total de Sol, quien concluyó que experimentalmente la teoría de Newton debía ser descartada. Curiosamente, el año del tratado de Versalles, un inglés invalidó la teoría de otro inglés y confirmó experimentalmente la de un alemán.
El efecto Shapiro, que completa el tríptico de los tests, consiste en un retraso en los tiempos de llegada de los fotones que pasan cerca del Sol. Por tanto, no sólo la trayectoria de la luz es desviada por el campo gravitatorio solar, sino que los fotones también son frenados. Este efecto, nada despreciable, fue calculado y observado por primera vez por Shapiro en 1964. Su experiencia consistió en medir el tiempo de ida y vuelta de la Tierra a Mercurio de fotones de radio emitidos en nuestro planeta cuando su recorrido era próximo a la superficie solar. El mayor o menor enlentecimiento de la luz está relacionado con las distancias relativas de la Tierra y Mercurio respecto al Sol.
A diferencia de otras pruebas, el efecto Shapiro no data de la infancia de la relatividad general. Aparentemente, Einstein no pensó nunca en calcularlo. Habiendo obtenido la trayectoria de los fotones y su ángulo de desviación en la vecindad del Sol, no intentó conocer el movimiento “horario” de los fotones en su recorrido, lo que habría dado su retraso gravitacional.
Hoy en día, la teoría de la relatividad general está verificada en el Sistema Solar con sólo un 1 por 1.000 de error. Además, las medidas de astrometría sobre la desviación de la luz serán cada vez más precisas, como las que tomará el futuro satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Algunas teorías gravitatorias alternativas, por ejemplo la de Brans y Dicke (1961), en la cual se añade un campo escalar al campo gravitacional de la relatividad general, han sido descartadas por las observaciones.
Durante mucho tiempo, la teoría de la relatividad fue considerada “un paraíso para el físico teórico”, pero un “desierto para el experimentador”. De hecho, se mantuvo al margen de la corriente principal de la física, dominada por la mecánica cuántica y la teoría cuántica de los campos, hasta comienzos de los años sesenta. Hasta ese momento no se comprendió que los agujeros negros podían existir en la naturaleza. Lo mismo ocurrió con la realidad de la radiación gravitatoria, anteriormente sujeta a gran controversia.
Las experiencias modernas sobre la gravitación empezaron con la verificación en el laboratorio del desplazamiento gravitatorio hacia el rojo o “efecto Einstein” en 1960, con frecuencia considerado el cuarto test clásico de la teoría. La relatividad general surgió entonces como teoría física. El descubrimiento en 1974 del púlsar binarioPSR 1913+16por Hulse y Taylor (que les valió el premio Nobel en 1993), y la prueba experimental de la existencia de la radiación gravitatoria como está prevista en dicha teoría, ilustran maravillosamente su capacidad de predicción.
Un púlsar es una estrella de neutrones en rotación rápida sobre sí misma que envía en cada rotación, como si fuera un faro, radiación electromagnética de ondas de radio hacia la Tierra. El análisis de los instantes de llegada de los pulsos de radio muestra, gracias al desplazamiento Doppler, que PSR 1913+16 está en órbita alrededor de una estrella compañera, probablemente otra estrella de neutrones.
El sistema doble formado por el púlsar y su compañera emite radiación gravitatoria, lo que se traduce en una pérdida de energía orbital y en el mutuo acercamiento de ambas. Esta verificación experimental es una de las confirmaciones más importantes de la relatividad general, y una de las medidas más precisas efectuadas en Astronomía.
Hay que recordar que el dominio donde se ejerce la relatividad general es el macrocosmos. Como se ha dicho, esta teoría no incorpora las leyes de la mecánica cuántica y es probable que sea únicamente válida a gran escala. La fuerza gravitatoria sólo ha podido ser demostrada en el laboratorio hasta el orden del milímetro. Experimentalmente, a escala microscópica no se conoce nada de la ley gravitatoria y es verosímil que esta teoría no sea aplicable.
Hoy en día, la relatividad general es una herramienta que permite explorar la existencia y comprender las observaciones de nuevos objetos o de nuevos fenómenos astrofísicos, y probablemente permitirá abrir una nueva “ventana” en Astronomía, la de las ondas gravitatorias, ya que esta radiación tiene propiedades específicas muy distintas de las ondas electromagnéticas.