La Teoría de la Relatividad General de Einstein cumple un siglo

LA CRÓNICA Centenario. Hoy se cumplen 100 años de la publicación y explicación del artículo de Albert Einstein que describe su Teoría de la Relatividad General, la cual explica y mejora el concepto de la gravitación ocurrida por la deformación del espacio-tiempo. En entrevista, Shaen Hacyan —investigador y divulgador de la UNAM— y Octavio Obregón —físico ganador del Premio Crónica— explican conceptos básicos de la teoría, su relevancia, aplicación y su frontera del conocimiento.

El 25 de noviembre de 1915, Albert Einstein ofreció ante la Academia de Ciencias Prusiana la cuarta de sus conferencias, donde explicó su Teoría de la Relatividad General —10 años después de la publicación de la relatividad especial, referente a fenómenos electromagnéticos— a través de un artículo, publicado en el Boletín de la misma academia, que exponía las llamadas “Ecuaciones del campo de la gravitación”. Las ecuaciones describen la gravitación como resultado de que el espacio-tiempo es curvado por la materia y energía, y fueron expuestas hace un siglo en medio de un intenso estrés para el físico, puesto que en sus conferencias previas —todas en noviembre de 2015— no había logrado resolver los problemas e inconsistencias de su teoría, en tanto que otro célebre físico alemán, David Hilbert, lo había logrado por su parte. Finalmente, Einstein lo resolvió, realizó su exposición y en los siguientes años, incluso hasta el día de hoy, abrió una nueva forma de explicar nuestra realidad macroscópica, astrofísica y cosmológica. Es una teoría que no ha terminado de repercutir en el conocimiento humano, sigue viva y tanto científicos en el pasado como otros más en nuestros días han ayudado a complementarla. En entrevista, Shahen Hacyan, investigador del Instituto de Física de la UNAM, y Octavio Obregón, investigador de la Universidad de Guanajuato (UG), expertos en la obra de Einstein, explican conceptos básicos de la teoría, su relevancia, aplicación y la frontera del conocimiento de la relatividad general, así como los retos que enfrenta: su conjunción con la mecánica cuántica (que describe el mundo atómico) y su empleo para explicar la materia y energía oscuras del Universo. Inicialmente hay que partir de ¿qué dice la Teoría de la Relatividad General? Si bien hay que contar con antecedentes y nociones que comienzan con Galileo y pasan de manera vital por Newton, el matemático Bernhard Riemann y la propia relatividad especial (o restringida) del mismo Einstein, la idea fundamental es que la materia —masas, cargas eléctricas, fluidos…, explica Obregón), generarán una curvatura del espacio-tiempo, la cual explica el fenómeno de la gravitación. En su libro Relatividad para principiantes (FCE), Hacyan refiere que Einstein concluyó que la fuerza gravitacional puede interpretarse como un efecto geométrico, que el espacio-tiempo es curvo, y la gravitación es la manifestación de su curvatura. “Una canica sobre una superficie deformada por su propia masa no se mueve en línea recta, sino por una curva; de igual forma se puede decir que el espacio-tiempo se curva. Entonces, el Sol atrae a los planetas en una deformación del espacio-tiempo donde éste y todos los planetas siguen la curvatura del espacio-tiempo”, dice Hacyan. La idea de Einstein es que las trayectorias donde hay curvatura se producen fuerzas relativas —refiere por su parte el físico de la UG—, lo que de alguna forma sustituye concepto usual de fuerza. La teoría presentada hace un siglo por Einstein hacía ya una predicción y una comprobación importantes: la primera es que los rayos de luz que pasan cerca de un cuerpo como el Sol tienen que desviarse cierto ángulo, lo cual fue comprobado en 1919 por Arthur Eddington, quien en una expedición a África documentó y fotografió el desplazamiento de la posición de las estrellas que se observaban alrededor del Sol. Gracias al eclipse, fue posible observar el desplazamiento de la luz de las estrellas (el brillo solar las hacía invisibles al ojo humano) debido al efecto gravitacional del Sol. “Durante la presentación de Eddington en una sesión de la Royal Society hubo periodistas y se dio la noticia de que se había descubierto un nuevo fenómeno en el Universo, donde la luz no se propaga en línea recta… etc… Fue así como Einstein se volvió famoso”, acota el físico de la UNAM. La otra comprobación fue la explicación de por qué el perihelio de la órbita de Mercurio presenta una anomalía y no era explicable con la gravitación newtoniana. Einstein empleó la relatividad general para explicar por qué el perihelio de las órbitas de Mercurio se corrían lentamente; de acuerdo con las observaciones astronómicas y el resultado de las ecuaciones del físico, encontró que el perihelio avanzaba 43 segundos por siglo. AGUJEROS NEGROS. La Teoría de la Relatividad General es muy elegante, menciona Obregón, porque es una teoría geométrica (“riemanniana”) que tiene a la Ley de la Gravitación Universal de Isaac Newton como eje. Explica también que la Teoría de la Relatividad también puede considerarse como precisiones o correcciones al trabajo de Newton, la cual funciona para muchos casos gravitatorios de interés, aplicables a la Tierra, el sistema solar e incluso galaxias, pero no en casos muy extremos y masivos, como un agujero negro. “Cuando la gravitación es muy intensa, como en el caso de un agujero negro o los inicios del Universo, necesitamos todo el peso y potencia de la Teoría General de la Relatividad”. De hecho, la existencia y conceptualización de un agujero negro es producto de la relatividad general, uno de los varios bichos raros y sorprendentes fenómenos que describe la teoría. Shahen Hacyan relata estas predicciones de la relatividad general. En 1916, el astrónomo Karl Schwarzschild, quien había estado en el frente de la Primera Guerra Mundial y fue hospitalizado, encontró una solución exacta de las ecuaciones que había propuesto Einstein, la cual describió que la luz no podía escaparse del interior de un fenómeno que años después los astrónomos llamarían agujero negro. A finales de los años 30, Robert Oppenheimer (el mismo que encabezó el Proyecto Manhattan) se interesó en la relatividad general y demostró cómo podía formarse un agujero negro por el colapso gravitacional de una estrella muy masiva. Alrededor de 30 años después los físicos y astrónomos se dieron cuenta de que podría ocurrir. Actualmente, se prepara el proyecto Telescopio Horizonte de Eventos, que conectará a los radiotelescopios más grandes y poderosos del mundo, entre ellos el Gran Telescopio Milimétrico (GTM), ubicado en Sierra Negra, Puebla, para observar al mismo tiempo (atómico) el centro de nuestra Vía Láctea y obtener por primera vez una instantánea del agujero negro que hay ahí. Esto traerá como consecuencia una demostración de nivel colosal de la Teoría de la Relatividad General. Otra predicción que postula la teoría, y que conjeturó el mismo Einstein, fue la existencia de ondas gravitacionales, fenómenos análogos a la luz y las ondas electromagnéticas. En marzo del año pasado, investigadores del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian anunciaron en Nature la detección indirecta de ondas gravitacionales, que explicaría la teoría de la inflación cósmica —propuesta por Alan H. Guth, investigador del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT)—, la cual explica el periodo durante el cual el Universo multiplicó miles de veces su tamaño, fenómeno que habría ocurrido momentos después del Big Bang. “Es un tema que se debate, pero de confirmarse serviría como una nueva forma de ver el Universo —dice Hacyan—, que hasta ahora sólo podemos observar a través de la luz”. MATERIA Y ENERGÍAS OSCURAS. Entrados en evolución cósmica —recordemos que le relatividad general explica la física de los fenómenos macro y cosmológicos— el autor de Del mundo cuántico al Universo en expansión recuerda que a principios de la década de los 20 del siglo pasado, el ruso Aleksandr Fridman realizó una ampliación de la relatividad general para explicar que el Universo podría estarse expandiendo, dependiendo de la materia que contenga. “Los modelos de Fridman coinciden con las observaciones astronómicas, excepto por dos detalles: hay una aceleración cósmica (causada aparentemente por la energía oscura) y parece que hay una gran cantidad de masa que produce una atracción gravitacional, pero que no podemos ver (materia oscura)”, señala Hacyan. Así, en la expansión del Universo, la gravitación nos dice cómo ocurre, pero con estos fenómenos oscuros todo se complica, incluso la comprensión de la materia que existe en éste. La materia de planetas, estrellas, galaxias… conforman un 5% del Universo conocido, en tanto que el 25% corresponde a materia oscura y el resto a la energía oscura. “Al observar galaxias y cúmulos de galaxias resulta que la cantidad de materia que vemos es menor a la que deberían de tener dada su estabilidad. Tienen más, pero no la vemos, eso es la materia oscura”, refiere Obregón. Sobre la energía oscura explica que es el fenómeno que explica que el Universo se expanda cada vez más rápido, una aceleración traducida en la existencia de materia ya no sólo dentro de una galaxia, sino todo el Universo. “En resumen, no entendemos la mayoría de materia del Universo, es un reto importante que nos llevará a pensar en otro tipo de materia, o también probablemente de un ajuste de la teoría de gravitación a niveles muy grandes, enormes. Los investigadores se inclinan más por pensar que la Teoría General de la Relatividad es correcta y tenemos que entender más partículas elementales que no vemos ni entendemos”. En estos días, un grupo internacional de científicos diseña un ambicioso proyecto para obtener información que ayude a explicar estos fenómenos “oscuros”, llamado Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura —y donde participan físicos mexicanos— el cual y estaría listo en cerca de 3 años para hacer observaciones. DESI (por sus siglas en inglés) consiste en hacer un mapeo con gran detalle para medir decenas de millones de galaxias, a través de un telescopio modificado que se ubica en el Observatorio Nacional Kitt Peak, Arizona, EU, que será equipado con 5 mil fibras ópticas conectadas a una cámara fotográfica, lo que equivaldrá a obtener 5 mil fotografías por “disparo” y espectrógrafos que medirán las galaxias. Al igual que el Telescopio Horizonte de Eventos, los resultados de las observaciones de DESI tendrá repercusiones en la comprobación de la relatividad general a escalas cosmológicas, y será un engrane más para entender la evolución cósmica del Universo. “RELATIVIDAD CUÁNTICA”. Pero el “santo grial” o mayor reto que enfrenta la relatividad general es su conjunción con la mecánica cuántica, una teoría en la que participó Einstein y los más grandes físicos de su época, que describe el comportamiento de los electrones alrededor de los núcleos atómicos, así como los núcleos mismos. Es un terreno donde las ideas de la relatividad general no tienen sentido; Einstein mismo fue incapaz de plantear una solución para obtener una teoría universal. “La mecánica cuántica es capaz de describir el mundo de las partículas elementales, como las que vemos chocar en el Gran Colisionador de Hadrones”, menciona Octavio Obregón. “Pero la relatividad general no es consistente con la mecánica cuántica, si bien entendemos las teorías de partículas cuánticas, en gravitación no es así”. Para el especialista, mientras no comprendamos este fenómeno “nos quedamos un poco cojos” en entender la gravitación de manera completa. No obstante, para Hacyan, si ese momento de unificación teórica no se descubre, tampoco es causa de alarma. “Sería una curiosidad matemática y teórica básicamente, si no se logra, no pasará nada. Aunque quizá se aplique después, uno nunca sabe, como con la mecánica cuántica que ahora ésta es la base de gran parte de la tecnología que tenemos en la actualidad”. De esta forma, la Teoría de la Relatividad General aún sigue en crecimiento y desarrollo, construida y en construcción por generaciones de físicos; es uno de los pilares de la física moderna y la que otorgó gloria al científico más importante del siglo XX. Einstein luchó mucho tiempo para demostrar que su brillante teoría no era una excentricidad, hoy parecen lejanas algunas de esas argumentaciones. “Esta teoría no tiene un origen especulativo, su descubrimiento se debe al intento de adaptar lo mejor posible la teoría física a los hechos observados. No se trata de algo revolucionario, sino de la evolución natural de un camino seguido a lo largo de muchos siglos. El abandono de los conceptos fundamentales del espacio y tiempo tal como habían sido concebidos hasta ahora, no se debe interpretar como un acto voluntario. Ha sido condicionado por los hechos observados”.