23 Relatividad general

Con la incorporación de la gravedad a su teoría de la relatividad especial, la teoría de Albert Einstein de la relatividad general evolucionó nuestra visión del espacio y el tiempo. Yendo más allá de las leyes de Newton, abrió las puertas a un universo de agujeros negros, agujeros de gusanos y lentes gravitacionales.

Imaginemos que una persona salta desde un edificio alto, o que se lanza en paracaídas desde un avión, y la gravedad lo acelera hacia el suelo. Einstein se dio cuenta de que en este estado de caída libre no se experimenta gravedad. En otras palabras, no tendría peso. En la actualidad, los astronautas en sus entrenamientos recrean las condiciones de gravedad cero del espacio de este modo, volando en avión a reacción (adecuadamente apodado el Vomit Comet —o Cometa del Vómito—) en una trayectoria propia de una montaña rusa. Cuando el avión vuela hacia arriba, los pasajeros se quedan pegados a sus asientos porque experimentan fuerzas mayores que la gravedad. Cuando después se inclina hacia delante y cae en picado hacia abajo, son liberados del tirón de la gravedad y pueden flotar dentro del aparato.

Aceleración Einstein comprendió que esta aceleración era equivalente a la fuerza de la gravedad. Por tanto, igual que la relatividad especial describe lo que ocurre en sistemas referenciales, o sistemas de inercia, que se mueven a velocidad constante en relación a otro, la gravedad era la consecuencia de estar en un sistema referencial que se acelera. Einstein afirmó después que éste había sido el pensamiento más feliz de su vida.

Durante los años siguientes, Einstein exploró las consecuencias de su hallazgo. Discutiendo sus ideas con colegas de confianza y usando los formalismos matemáticos más recientes para resumirlas, confeccionó la teoría completa de la gravedad a la que llamó teoría de la relatividad general. El año en que publicó el trabajo, 1915, resultó ser especialmente ajetreado, y casi inmediatamente después la revisó varias veces. Sus compañeros estaban asombrados por sus avances. La teoría incluso produjo extrañas predicciones que después pudieron comprobarse, entre ellas, la idea de que un campo gravitacional podía desviar la luz, y también que la órbita elíptica de Mercurio rotaría lentamente debido a la gravedad del Sol.

Espacio-tiempo En la teoría general de la relatividad, las tres dimensiones del espacio y la del tiempo se combinan en una cuadrícula cuatridimensional del espacio-tiempo, o métrica. La velocidad de la luz sigue siendo fija y nada puede sobrepasarla. Cuando se mueve y se acelera, la métrica del espacio-tiempo se distorsiona para mantener fija la velocidad de la luz.

Entenderemos mejor la relatividad general si imaginamos el espacio-tiempo como una lámina de goma tensada en un marco horizontal. Los objetos con masa actúan igual que si pusiéramos pelotas pesadas encima de la lámina, esto es, deforman el espacio-tiempo a su alrededor. Si ponemos sobre la lámina una pelota que represente la Tierra, veremos que causa una depresión en la lámina de goma donde se apoya. Si entonces lanzáramos una pelota más pequeña, como un asteroide, por ejemplo, rodaría por la pendiente hacia la Tierra. Eso demuestra lo que ocurre con la gravedad. Si la pelota más pequeña se moviera lo suficientemente rápido y la depresión de la Tierra fuera lo suficientemente profunda, de forma parecida a como un ciclista temerario corre alrededor de una pista inclinada, ese cuerpo establecería una órbita circular parecida a la de la Luna. Así, podemos imaginar el universo entero como una lámina de goma gigante. Cada uno de los planetas, de las estrellas y las galaxias causan una depresión que puede atraer o desviar objetos más pequeños que pasen por su lado, igual que las pelotas ruedan por encima de las subidas y bajadas del campo de golf.

Einstein comprendió que debido a la deformación del espacio-tiempo, la luz se desviaría al pasar cerca de un cuerpo masivo, como el Sol. Predijo que la posición de una estrella observada justo detrás del Sol cambiaría un poco porque su luz se desvía cuando pasa junto a la masa del Sol. El 29 de mayo de 1919, los astrónomos del mundo se reunieron para comprobar las predicciones de Einstein durante la observación de un eclipse total del Sol. Resultó ser uno de sus mejores momentos, pues se demostró que la teoría que algunos consideraban una locura, en realidad, se acercaba mucho a la realidad.

Distorsiones y agujeros La curvatura de los rayos de luz se ha confirmado con luz que ha atravesado el universo. La luz de las galaxias muy lejanas claramente se desvía cuando pasa junto a una región enorme como un cúmulo gigante de galaxias o una galaxia muy grande. El punto de luz de fondo se difumina y forma un arco. Como este fenómeno es análogo al funcionamiento de una lente, recibe el nombre de lente gravitatoria. Si la galaxia de fondo está justo detrás de un objeto pesado intermedio, la luz se difumina y forma un círculo completo, llamado el anillo de Einstein. El telescopio espacial Hubble nos ha permitido realizar muchas fotografías preciosas de este espectáculo.

La teoría de la relatividad general de Einstein se aplica habitualmente para describir todo el universo. El espacio-tiempo se concibe como un paisaje con colinas, valles y baches. Hasta ahora, la relatividad general ha superado todas las pruebas observacionales. Las regiones donde mejor se puede verificar son aquéllas con una gravedad especialmente fuerte, o bien, muy débil.

Los agujeros negros (véase la p. 100) son pozos extremadamente profundos en el plano del espacio-tiempo. Son tan profundos y bruscos que cualquier cosa que se acerque lo suficientemente puede caer en su interior, incluso la luz. Señalan agujeros, o singularidades, en el espacio-tiempo. El espacio-tiempo también puede distorsionarse y provocar agujeros de gusano, o tubos, pero nadie ha visto realmente algo así.

En el otro extremo, si la gravedad es muy débil, podríamos esperar que se dividiera en pequeños quanta, de forma parecida a la luz, que está formada por fotones individuales. No obstante, todavía nadie ha visto que la gravedad se descomponga en partículas granulares. Aunque se están desarrollando teorías cuánticas, sin ninguna prueba que las respalde, sigue sin conseguirse una unificación de la teoría cuántica y de la gravedad. Einstein dedicó el resto de su carrera a hacer realidad esa esperanza, pero no lo consiguió, de modo que el reto sigue vigente.

La idea en síntesis: distorsión del espacio-tiempo