Capítulo 05 · La ciencia
Relatividad general
La relatividad especial dejó intacta la gravedad. A Einstein le costó otra década —y la matemática más ardua de su vida— rematar la tarea. El resultado, terminado en 1915, está considerado por muchos la teoría más bella de toda la física: la gravedad no es una fuerza que tira a través del espacio, sino la curvatura del propio espaciotiempo.
«El pensamiento más feliz de mi vida»
En 1907, ensoñando en la oficina de patentes, Einstein comprendió algo sencillo y profundo: una persona en caída libre no siente su propio peso. Un hombre que cae de un tejado, un astronauta en órbita, unas monedas soltadas en un ascensor en caída — todos flotan como si la gravedad se hubiera apagado.
Este principio de equivalencia —que la gravedad y la aceleración son localmente indistinguibles— fue su clave. Si la gravedad puede desaparecer con solo caer, quizá la gravedad no sea una fuerza en absoluto, sino algo relativo a la geometría del espacio y el tiempo.
Si una persona cae libremente, no sentirá su propio peso.Albert Einsteinrecordado en su conferencia de Kioto, 14 de diciembre de 1922 (la idea es de 1907; traducido de los apuntes japoneses, aquí del inglés)
Esto puede plantearse como un experimento mental. Imagina una cabina sin ventanas apoyada en la Tierra: una pelota que sueltas cae al suelo a 9,81 m/s². Ahora coloca la misma cabina lejos de toda estrella y deja que un cohete la empuje exactamente con esa aceleración: el suelo sube al encuentro de la pelota y, desde dentro, todo parece igual. Suelta la pelota, enciende la luz y solo entonces abre las ventanas.
La verdadera sorpresa es el rayo de luz. En el cohete se entiende por qué se curva: mientras la luz cruza la cabina, el suelo sube cada vez más deprisa. Pero si ningún experimento permite distinguir las dos cabinas, el rayo también tiene que curvarse en la Tierra. De ahí concluyó Einstein en 1911 que la gravedad desvía la luz; el valor correcto, el doble del que calculó entonces, lo dio en 1915 la teoría terminada.
- Wikipedia: Relatividad general.
- Wikipedia: Principio de equivalencia.
- Wikipedia (en): Tests of general relativity — el valor de Einstein de 1911, obtenido solo del principio de equivalencia, y el valor doble de 1915.
- Cálculo propio para la cabina: descenso = ½ · g · (L/c)² con L = 2 m, g = 9,81 m/s², c = 299 792 458 m/s; resultan unos 2 · 10−16 m.
La materia le dice al espaciotiempo cómo curvarse
La imagen que da la relatividad general es esta: la masa y la energía deforman el espaciotiempo a su alrededor, como una bola pesada que hunde una lámina de goma tensa. Otros objetos —planetas, luz, tú— simplemente siguen las trayectorias más rectas posibles a través de esa geometría curva. Lo que sentimos como la «fuerza» de la gravedad es en realidad la curvatura del espaciotiempo guiando nuestro movimiento.
No lo hizo solo. Su viejo compañero de clase Marcel Grossmann le introdujo en la geometría no euclidiana de Riemann y en el cálculo tensorial que necesitaba. En las últimas semanas de 1915, Einstein compitió a contrarreloj con el gran matemático David Hilbert — y llegó, exhausto y triunfante, a las ecuaciones que llevan su nombre.
En el modelo de abajo, el espaciotiempo es una lámina tensa. Cuanto más pesada es la bola del centro, más profundo es el hundimiento, y una pequeña bola de prueba lanzada de lado recorre una trayectoria a su alrededor: si va muy despacio, cae dentro; si va demasiado rápido, escapa. Ajusta la masa, coloca la bola pesada en otro sitio con un clic o con las teclas de flecha y lanza la bola de prueba.
Aun así, la lámina de goma es solo una analogía con puntos débiles conocidos. Las bolas ruedan hacia dentro únicamente porque la gravedad de la Tierra tira de ellas hacia abajo; la imagen explica, pues, la gravedad con la gravedad. Y la curvatura del tiempo, esencial para la gravedad aquí en la Tierra, falta por completo.
- Wikipedia: Ecuaciones del campo de Einstein.
- Wikipedia: Marcel Grossmann.
- Kaur, Blair et al., «Teaching the Einsteinian gravity paradigm» (2017), arXiv:1703.00164 — límites del modelo de la lámina.
El eclipse que lo hizo famoso
Una teoría vale lo que valen sus predicciones. La relatividad general hizo una atrevida: la gravedad debía curvar la luz. La luz estelar que roza el Sol debía desviarse unos 1,75 segundos de arco — el doble de lo que permitía la vieja física newtoniana.
No se ven estrellas junto al Sol… salvo durante un eclipse total. El 29 de mayo de 1919, dos expediciones organizadas por Frank Dyson y Arthur Eddington fotografiaron un eclipse — Eddington mismo desde Príncipe (frente a África Occidental), Andrew Crommelin y Charles Davidson desde Sobral (Brasil). Las estrellas se habían movido. Einstein tenía razón.
Cuando se anunciaron los resultados en noviembre de 1919, la prensa mundial estalló. The Times de Londres proclamó una «Revolución en la ciencia». De la noche a la mañana, Albert Einstein se convirtió en el científico más famoso de la Tierra — una celebridad mundial como ningún físico lo había sido jamás.
Lo diminuto que es el efecto se ve en el modelo de abajo. Alrededor del Sol oscurecido hay estrellas; según Einstein, la luz que roza justo el borde del Sol se desvía 1,75 segundos de arco, y al doble de distancia solo la mitad, porque la desviación disminuye con la distancia. El Sol actúa así como una débil lente gravitacional: las estrellas parecen algo más alejadas de él de lo que están en realidad. Cambia entre «Sin gravedad», «Newton» y «Einstein» y ajusta cuánto se amplía el desplazamiento.
La precisión real de la medición de 1919 se ha debatido mucho tiempo. Las imágenes borrosas del telescopio principal de Sobral daban solo 0,93 segundos de arco y se descartaron; en 1980 los filósofos Earman y Glymour vieron en ello un posible sesgo a favor de Einstein. Sin embargo, ya en 1979 una nueva medición de las placas de Sobral con una máquina moderna había respaldado el resultado de Eddington, aunque pasó mucho tiempo inadvertida. La cuestión la zanjó la radioastronomía: desde finales de los años sesenta, los radiotelescopios miden la desviación en radiofuentes lejanas como los cuásares, sin necesidad de eclipse, y hoy las mediciones VLBI confirman el valor de Einstein con una precisión de un 0,03 %.
- Wikipedia: Eclipse solar del 29 de mayo de 1919.
- Dyson, Eddington y Davidson, Phil. Trans. R. Soc. (1920).
- Crispino y Kennefick, «A hundred years of the first experimental test of general relativity», Nature Physics 15, 416–419 (2019), arXiv:1907.10687 — valores de 1919 y nueva medición de 1979.
- Kennefick, «Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition», arXiv:0709.0685 — las Híades, la crítica de 1980 y el reanálisis de 1979, pasado por alto.
- Wikipedia (en): Gravitational lens — ángulo de desviación θ = 4GM/(c²r), es decir, proporcional a 1/distancia; Angular diameter — diámetro aparente del Sol de 31′27″ a 32′32″.
- Wikipedia (en): Eddington experiment — mediciones de radio de finales de los sesenta; Tests of general relativity — VLBI, en torno al 0,03 %.
- Kennefick, “Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition”, arXiv:0709.0685: las placas se sujetaban cara a cara y la separación de cada estrella se medía con un micrómetro.
- Crispino & Kennefick, Nature Physics 15, 416–419 (2019), arXiv:1907.10687: los valores 1,98 ± 0,18″ (Sobral, lente de 4 pulgadas) y 1,61 ± 0,30″ (Príncipe); placas de comparación en Sobral en julio de 1919 y, para Príncipe, en Oxford.
- Wikipedia (en): Eddington experiment: Híades, placas de comparación tomadas de noche meses después o antes, siete estrellas en las placas de la lente de 4 pulgadas de Sobral.
- Wikipedia (en): Gravitational lens: desviación proporcional a 1/distancia; Dyson, Eddington y Davidson, Phil. Trans. R. Soc. A 220, 291–333 (1920).
Predicciones que siguen cumpliéndose
Un siglo después, la relatividad general ha superado todas las pruebas — a menudo otras que Einstein no llegó a ver.
La órbita de Mercurio
Una diminuta anomalía centenaria en la órbita de Mercurio —43 segundos de arco por siglo— que Newton no podía explicar surgió exacta de las ecuaciones de Einstein. Fue su primer triunfo.
Lentes gravitacionales
Las galaxias masivas curvan la luz de los objetos que tienen detrás formando arcos e imágenes múltiples — la gravedad como lente cósmica, hoy herramienta habitual de la astronomía.
Agujeros negros
Regiones donde el espaciotiempo se curva tan abruptamente que ni la luz escapa. Fotografiados por primera vez en 2019 — una predicción que a Einstein le inquietaba.
Ondas gravitacionales
Ondulaciones del espaciotiempo producidas por agujeros negros que chocan. Predichas en 1916, detectadas por LIGO en 2015 — cerca de un siglo después.
La órbita de Mercurio es una elipse cuyo punto más cercano al Sol, el perihelio, gira despacio alrededor del Sol: unos 575 segundos de arco por siglo. Unos 532 se deben a la atracción de Venus, Júpiter, la Tierra y los demás planetas, y la física de Newton los explica. Los 43 restantes fueron un enigma desde que Urbain Le Verrier advirtió en 1859 que la órbita de Mercurio no encajaba con la teoría de Newton (su cifra de 38 segundos de arco se refinó más tarde a 43), hasta que Einstein los calculó con su nueva teoría el 18 de noviembre de 1915. Deja correr el tiempo y activa y desactiva la corrección de Einstein.
- Wikipedia: Pruebas de la relatividad general.
- ondas gravitacionales; lente gravitacional.
- Imágenes: NASA/ESA/STScI, dominio público, vía Wikimedia Commons.
- Park et al., «Precession of Mercury's Perihelion from Ranging to the MESSENGER Spacecraft», The Astronomical Journal 153, 121 (2017), doi:10.3847/1538-3881/aa5be2 — 532″ por los planetas, 42,98″ por la relatividad general, 575,3″ por siglo en total.
- Einstein, «Erklärung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Relativitätstheorie», Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften, 18 de noviembre de 1915, pp. 831–839 (CERN Document Server); Le Verrier, 1859: Wikipedia (en).