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La Relatividad de Einstein.

La teoría de la gravedad de Newton explica el efecto de esta fuerza en la materia, mas no explica su causa. Fue el genio de Einstein el que resolvió esta incógnita cuando presentó sus teorías de la relatividad especial y general. Teoría que está cumpliendo 100 años de haber sido comprobada.

La conocida Teoría de la Gravedad que Sir. Isaac Newton presentó en su trabajo más relevante, “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” o simplemente “Principia”, nos permite describir con precisión como actúa esta fuerza y su efecto en la interacción de dos cuerpos o masas. Esta teoría sigue siendo fundamental para comprender la mecánica de la trayectoria de la Luna girando alrededor de la Tierra, o para calcular trayectorias de sondas espaciales viajando a otros planetas; estos trabajos aún siguen siendo basados en los cálculos mediante el uso de las leyes de movimiento y gravedad de Newton.

Pero la teoría de Newton, aunque es indiscutiblemente precisa, no describe por qué o la causa de la gravedad; es decir, describe claramente su efecto, pero su causa siguió siendo una incógnita. Y en ciertos casos, la misma no podía explicar de forma completa ciertas observaciones y mediciones. Esta condición se mantuvo por más de 220 años.

Con las primeras observaciones astronómicas precisas, surgieron también algunas inconsistencias en esta teoría; por ejemplo, en el siglo XIX, fue notado que ciertos efectos gravitacionales en órbitas planetarias no coincidían del todo con los cálculos basados en la teoría de Newton; un ejemplo es un efecto en la órbita de Mercurio, que observada por Le Verrier, Científico Francés, que en 1856 notó que su trayectoria elíptica no era estática, sino que esta tenía un corrimiento o precesión cada vez que el planeta llegaba a su perihelio (su punto más cercano al Sol); marcando una ruta que es ligeramente diferente a la órbita previa; Dado este efecto, y basándose en la teoría de Newton, Le Verrier hizo ajustes con los que predijo la existencia de otro planeta causante de esta precesión, debido a su influencia gravitacional, planeta al que nombró como Vulcano.

Precesion de Mercurio - physics.aps.org

Precesion de Mercurio – physics.aps.org

La revelación de Einstein

Una de las brillantes habilidades de Einstein era sin duda su capacidad de abstraerse y pensar profundamente sobre un problema, con esta habilidad tomo como misión arreglar una inconsistencia mayor en la física, entre las teorías de Newton y los resultados recientes de James Clerk Maxwell (presentados en 1861). La discrepancia se debía a la consideración de Newton, que tomó como base de su teoría la “Invarianza de Galileo”, estableciendo que los atributos de un cuerpo no cambian con la velocidad; en simples términos, un metro sigue midiendo un metro sin importar la velocidad a la que este se mueva. Esta aseveración se contraponía con la demostración de Maxwell estableciendo que la velocidad de la luz es constante. Y a velocidades extremas esta regla no se puede cumplir; estas dos premisas eran son contradictorias, Y algo que Einstein no toleraba eran las inconsistencias.

 

La genialidad de Einstein

Para resolver este tipo de discrepancias Einstein imaginó estos efectos en condiciones extremas, haciendo uso de experimentos imaginarios o pensados (“Thought experiments”) sobre lo que ocurría en dichas circunstancias; para después formular un modelo matemático que lo describiera.

 

Relatividad especial

Primeramente, imaginó que ocurre con el movimiento constante de la luz. En su experimento él imaginó como vería un rayo de luz una persona en reposo y otra moviéndose a velocidades extremadamente altas. Para ello, imagino a un pasajero, Bob, esperando en una estación de trenes; y a otra pasajera, Alice, viajando en un tren a una velocidad cercana a la de la luz. En la estación del tren una lámpara se enciende; Bob, esperando en la estación percibe que la luz se mueve a la conocida velocidad constante, descrita por maxwell, Pero para Alice, el haz de luz parece moverse más lentamente, dado que ella se mueve también a una velocidad cercana a la de la luz. En esta condición Einstein concluyó, si la velocidad de la luz parece disminuir para Alice, más en realidad esta es constante, entonces esta variación debería estar en el tiempo.

Thought experiment - Rayo de luz

Thought experiment – Rayo de luz

Una persona, moviéndose a velocidades extremas, como Alice, experimentaría una dilatación del tiempo, y su reloj (y el tiempo), avanzaría más lentamente, en relación con el de Bob que está en reposo, de esta forma la velocidad constante de la luz no se ve afectada, aun cuando Alice ve un desplazamiento diferente y más lento. Esta conclusión fue lo que presentó Einstein como la Relatividad Especial.

Para describir apropiadamente lo que sucede, imaginó un experimento donde, en el momento preciso en que Alice y Bob están alineados, caen dos relámpagos a la misma distancia de ellos. En esta situación Bob, esperando en la estación, observa que los dos relámpagos caen de forma simultánea, dado que la luz viaja la misma distancia hacia él; más en el caso de Alice, que esta en movimiento, dado que el tren se mueve relativamente en dirección a uno de los relámpagos y se aleja del otro, ella notaría que un relámpago cae antes que el otro; el relámpago hacia el que se aproxima parecería caer primero.

Thought experiment - Doble relámpago.

Thought experiment – Doble relámpago.

Relatividad general

La inconsistencia con las leyes de Maxwell y las leyes de movimiento de Newton fueron resueltas, pero aún quedaba la pregunta sobre que era realmente el origen de la gravedad. Para analizar esto Einstein nuevamente hizo uso de un “thought experiment”. Este segundo experimento imaginario se basó en una pregunta simple, ¿qué sucede cuando algo está en caída libre?

Para ejemplificar esto, imaginó una persona encerrada en un cubo o caja, flotando en el espacio, en tal condición esta persona estaría flotando libremente en la caja, más luego consideró lo siguiente; si esta caja se somete a una aceleración, esta situación haría que la persona experimente la sensación de gravedad mientras se somete a esta aceleración. De igual forma, si la caja se aproxima a un objeto masivo como un planeta, la persona de igual forma experimentaría la misma sensación de gravedad, en este caso provocada por la atracción gravitacional del planeta.

En el caso opuesto; si esta caja estuviera flotando en el espacio vacío la persona dentro de esta experimentaría la sensación de ingravidez y estaría flotando en la caja. Esta sería la misma sensación que tendría si la caja estuviera en caída libre hacia la tierra, dada la acción de la gravedad terrestre. En ambos casos la sensación de ingravidez es exactamente la misma.

La propuesta de Einstein fue que, en ingravidez o caída libre, no hay ninguna fuerza actuando en un cuerpo; y la aceleración o presencia de un cuerpo masivo causaría la sensación de gravidez. A esta dualidad le llamó “Principio de equivalencia”.

Principio de equivalencia

Principio de equivalencia

Para explicar esta situación, Einstein concluyó que la gravedad no actúa sobre un objecto; y en cambio, presentó un modelo totalmente diferente. Einstein introdujo el concepto de la geometría del espacio-tiempo, que es el ambiente en el que estamos inmersos; y concluyó que la gravedad es el efecto de la alteración o distorsión de esta geometría espacio-temporal.

Einstein propuso que la gravedad no es una fuerza invisible actuando entre dos cuerpos; sino el resultado de cambio en la geometría de este espacio-tiempo alrededor de ellos. Newton siempre consideró el espacio y el tiempo como dos entes separados; y Einstein propuso que ambos están mutuamente entrelazados (espacio-tiempo) y que pueden ser distorsionados por efecto de una masa o de la aceleración.

La descripción de Newton sobre la fuerza invisible que afecta mutuamente el movimiento de objetos, aun cuando describe correctamente este efecto, dejó de ser una clara descripción de como funciona la gravedad.

Las teorías de Einstein, tanto la de la relatividad especial como la de relatividad general, presentadas en 1905 y 1915 respectivamente, implican muchos cambios de paradigma, casos como la dilatación del tiempo, la equivalencia entre masa y energía (la famosa ecuación E=MC2), y fenómeno de gravedad extrema de los denominados agujeros negros y estrellas de neutrones fueron algunas de las conclusiones que su teoría trajo a la luz.

El caso de la precesión de Mercurio presentada por Le Verrier fue uno de los cálculos con los que el Mismo Einstein comprobó que su modelo funcionaba, dado que este movimiento era claramente explicado usando su nueva teoría.

 

100 años de ser una teoría comprobada.

La teoría de Einstein, aunque fue en general aceptada en la comunidad científica, esta aún no estaba comprobada, y aún era sujeta a críticas por algunos detractores; era evidente que hacía falta una prueba experimental para probar de una vez por todas esta teoría.

Con este propósito, dos astrónomos, Frank Dyson y Arthur Eddington, presentaron propuestas para comprobar la teoría de Einstein mediante la medición de la influencia gravitacional que el sol ejercía en un rayo luminoso proveniente de una estrella. Considerando para este propósito el eclipse predicho para mayo 29 de 1919 como el momento ideal para hacer esta medición; dado que en el eclipse es posible observar las estrellas y era posible medir la influencia que la masa solar tendría sobre la luz estas estrellas, esta influencia provocaría una desviación de su luz en un estimado de 1.74 segundos de arco, dichas mediciones podrían entonces ser comparadas con las mediciones previas del telescopio de Oxford estando estas estrellas en su posición real. La diferencia en posición evidenciaría el efecto descrito por la teoría de Einstein sobre la distorsión de la luz por efecto de una masa.

Frank Dyson organizó una expedición para poder hacer esta medición, misma que encabezó Charles Davidson, asistente de Dyson, efectuando esta medición en Sobra, ciudad localizada en la zona norte de Brasil, cerca del ecuador terrestre. El eclipse duró 6 minutos y 51 segundos, eclipse muy largo, que les daba la oportunidad de adquirir fotos precisas de la corona solar y estrellas a su alrededor.

Arthur Eddington hizo también una expedición a la Isla de príncipe en el golfo de Guinea para también efectuar las mismas tomas y mediciones para verificar el cambio en la posición relativa de las estrellas alrededor del sol.

Efecto relativista en la luz durante un eclipse solar - openmind.com

Efecto relativista en la luz durante un eclipse solar – openmind.com

Tanto Dyson como Eddington presentaron sus resultados más tarde en ese año de 1919, ambos corroborando que la teoría de Einstein correctamente predecía los efectos en la luz de las estrellas, medidos durante este eclipse. Esta información no tardo mucho en hacerse conocer en la comunidad científica y en los medios de comunicación de aquella época, haciendo a Einstein el científico más conocido y famoso en la época, y tal vez en toda la historia.

 

La teoría de la relatividad hoy en día.

Desde entonces la teoría de Einstein ha sido probada exitosamente en múltiples ocasiones; tanto en diversas observaciones astronómicas, así como mediante diferentes experimentos, el último de ellos siendo la primera foto de un agujero negro en la galaxia M87, revelada hace un poco más de un mes, en abril 10, 2019 por el experimento Evento Horizon Telescope. Foto tomada de la señal combinada de 7 telescopios, incluido el Telescopio milimétrico Alfonso Serrano en México, imagen procesada compuesta supercomputadoras en el instituto Max Planck y el observatorio Haystack del MIT (Instituto tecnológico de Massachussets).

Agujero negro en la galaxia M87 - EventHorizon.org

Agujero negro en la galaxia M87 – EventHorizon.org

La teoría de la relatividad de Einstein fue la mayor conciliación de como funciona el cosmos y la fuerza de gravedad. Teoría que en este mes y año cumple sus cien años de haber sido comprobada.

Feliz centésimo aniversario, teoría de la relatividad de Einstein.

¡Saludos, Alex – ScienceKindle!

 

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