Teoria general de la relatividad

Aunque la Teoría Especial de la Relatividad fue publicada por Einstein en 1905, no se convirtió un modelo popular hasta tres años más tarde. Esto fue posible gracias a los trabajos del matemático alemán Hermann Minkowski, quien desarrolló el diagrama espacio-tiempo, la métrica y las transformaciones de Lorentz. Estas tres herramientas permiten representar cualquier suceso en forma de cuatro coordenadas (la métrica), tres espaciales y una temporal, y convierten el espaciotiempo en algo ligeramente distinto de un espacio tridimensional más una variable tiempo, que era la idea desarrollada por Newton. La descripción espaciotemporal de Minkowski puede ser visualizada con facilidad como un espacio plano (el típico plano de geometría euclídea), donde la dimensión tiempo es perpendicular al plano. Minkowski demostró que los sucesos establecidos por la teoría de Einstein podían ser descritos de forma geométrica utilizando el espaciotiempo.

El trabajo de Minkowski tuvo dos consecuencias fundamentales. Por un lado permitió popularizar las ideas de Einstein, ya que su planteamiento geométrico las hacía más asequibles. Por otro, le dieron a Einstein una visión del problema que le permitiría relacionar las leyes de la naturaleza, más concretamente la gravedad, con la estructura del espacio y del tiempo. Dedicó mucho tiempo a estudiar el espaciotiempo plano de Minkowski y la geometría de Riemann, un espaciotiempo curvo denominado así en honor al matemático G. F. B. Riemann. Einstein encontró que en este último era posible estudiar los efectos de la aceleración y la gravedad junto con su teoría anterior.

En 1915 Einstein publicó su trabajo, que denominó Teoría General de la Relatividad. Así como la Relatividad Especial trataba de la velocidad de la luz, la causalidad y los cambios en un sistema viajando a velocidad relativista, la nueva teoría usaba la geometría de Riemann para reproducir y ampliar la teoría de la gravedad de Newton, haciéndola consistente con las nociones relativistas. La formulación de la nueva teoría implicaba una gama escogida de relaciones entre la geometría de una región del espaciotiempo y la masa contenida dentro de la misma región. Einstein demostró que dichos factores se relacionan a través de una serie de ecuaciones matemáticas con propiedades de transformación especiales, llamadas tensores, que se ven influidas por la geometría y la masa de dicha región del espacio. Un tensor describe las relaciones puramente geométricas del espaciotiempo. Otro, las relaciones entre la masa y la energía (que según la Teoría Especial eran equivalentes) en la región considerada, y Einstein demostró además ciertas ecuaciones que relacionaban ambos tensores.

La Teoría General de la Relatividad constituye así una nueva formulación de la gravedad, que tiene a la antigua teoría de Newton como un caso particular. La mayor diferencia entre ambas teorías es que para Newton, la gravedad era una propiedad de la materia, la atracción entre dos masas. Para Einstein, la gravedad es una propiedad del espaciotiempo, de tal forma que incluso la luz se ve afectada. Para Newton dicho efecto era imposible dado que la luz carece de masa, pero si se considera la relación entre masa y energía expuesta en la nueva Teoría, se descubre que la luz debería ser afectada por la gravedad, y lo mismo debería ocurrirle al tiempo. Para explicarlo de forma sencilla, la masa y la energía crean una distorsión en el espaciotiempo, que adopta cierta curvatura. Cualquier cosa en movimiento a través de dicho espaciotiempo curvado no puede seguir una trayectoria recta, como ocurriría en un espaciotiempo plano, sino únicamente trayectorias curvas llamadas geodésicas. Una geodésica coincidiría con una línea recta únicamente si el espaciotiempo carece de curvatura.

La teoría predecía que debido a la curvatura del espacio en las proximidades del Sol el perihelio de la órbita de Mercurio debía desviarse muy ligeramente, alrededor de un grado cada 10.000 años. Esta desviación había sido observada ya antes de 1915, y no podía ser explicada haciendo uso de la Teoría de la Gravitación Universal de Newton. La desviación prevista por la Relatividad General concordaba exactamente con la medida, y constituyó el primer éxito de la nueva teoría, descartándose la hipótesis anterior de la existencia de un supuesto planeta, bautizado con el nombre de Vulcano, postulada para intentar justificar las alteraciones de la órbita de Mercurio.

La siguiente confirmación de la teoría se produjo en 1919, cuando una expedición británica observó un eclipse solar y comprobó que efectivamente la luz de las estrellas era desviada por el Sol. Este efecto mágico de curvar la luz es el origen de las lentes gravitacionales.

Otra de las predicciones más importantes, la dilatación temporal debida a la gravedad, fue confirmada en 1962 haciendo uso de dos relojes de alta precisión situados en una torre y en la superficie terrestre. Éste último iba más lento, de acuerdo con lo previsto por la Teoría General. Este efecto posee una importancia práctica notable, dado que los sistemas de navegación por satélite, como el GPS, se basan en señales horarias provenientes de satélites. Si se ignoraran las correcciones relativistas se obtendrían errores de varios kilómetros.

La Teoría General de la Relatividad es sin duda uno de los pilares de la física moderna. La ciencia-ficción no podía ser ajena a este hecho, y varias obras del género se aprovechan de ello. Es el caso de las obras en que aparecen agujeros negros, como la notable PÓRTICO, de Frederik Pohl, o algunas de sus continuaciones. La gravedad intensa deforma el espaciotiempo de tal modo que un observador atrapado en el campo gravitatorio no parece envejecer para el resto del universo, de modo que los Heechee se mantienen siempre jóvenes. Gregory Benford ha utilizado también este hecho en ABISMO FRENÉTICO y NAVEGANTE DE LA LUMINOSA ETERNIDAD. El Comilón de Benford es el agujero negro del centro galáctico. Su campo gravitatorio produce una dilatación temporal tan aguda que los humanos se refugian allí en su lucha contra los Mecs; pueden literalmente esperar a que los Mecs se caigan de viejos. Benford juega incluso con el esti, un espaciotiempo tan deformado por la gravedad que toma propiedades mágicas e impredecibles. En la última década, y a raíz de CONTACTO, de Carl Sagan, los físicos teóricos han desarrollado un nuevo juguete llamado agujero de gusano, una construcción que no violaría la Teoría General de la Relatividad y podría ser una respuesta al viaje interestelar.

© Jacobo Cruces Colado, (1.043 palabras)