sábado, 19 de abril de 2014

La Relatividad General

Para continuar el homenaje a Albert Einstein, vamos a repasar ahora brevemente la Relatividad General en un texto que sirve como introducción para aquellos no iniciados en esta rama de la física.

1.- PASADO, PRESENTE Y FUTURO.

La teoría general de la relatividad de Albert Einstein es uno de los logros más imponentes de la física del siglo veinte. Publicada en 1916, explica lo que percibimos como fuerza de gravedad. De hecho, esta fuerza surge de la curvatura del espacio y del tiempo.
Einstein propuso que los objetos como el Sol y la Tierra variaban la geometría del espacio. En presencia de materia y energía, el espacio se puede deformar y estirar,formando cordilleras, montañas y valles que causan que los cuerpos se muevan por estas "rutas" curvas. Así que aunque la Tierra parezca moverse alrededor del Sol a causa de la gravedad,en realidad, tal fuerza no existe. Es simplemente la geometría del espacio-tiempo alrededor del Sol la que dice cómo debe moverse la Tierra.
La teoría de la relatividad general tiene consecuencias de largo alcance. No sólo explica el movimiento de los planetas, sino que también puede describir la historia y la expansión del Universo, la física de los agujeros negros, la curvatura de la luz de las estrellas y las galaxias distantes.


La relatividad general: la percepción de Einstein


En 1905, a la edad de 26 años, Albert Einstein propuso su teoría de la relatividad especial. La teoría conciliaba la física de los cuerpos en movimiento desarrollada por Galileo Galilei y Newton, con las leyes de la radiación electromagnética. Se postula que la velocidad de la luz es siempre la misma, independientemente del movimiento de la persona que lo mide. La relatividad especial implica que el espacio y el tiempo se entrelazan en un grado nunca antes imaginado.
A partir de 1907, Einstein comenzó a tratar de ampliar la relatividad especial para incluir la gravedad. Su primer éxito vino cuando estaba trabajando en una oficina de patentes en Berna, Suiza. "De repente un pensamiento me golpeó", recordó. "Si un hombre cae libremente, no sentiría su peso ... Este experimento mental simple ... me llevó a la teoría de la gravedad". Se dio cuenta de que existe una profunda relación entre los sistemas afectados por la gravedad y los que están acelerando.
El próximo paso adelante se produjo cuando Einstein introdujo las matemáticas geométricas desarrolladas por los matemáticos alemanes del siglo XIX Carl Friedrich Gauss y Bernhard Riemann. Einstein aplicó su trabajo para escribir las ecuaciones que relacionan la geometría del espacio-tiempo con la energía que contiene. Ahora conocidas como las ecuaciones de campo de Einstein, fueron publicadas en 1916, y sustituyeron a la ley de la Gravitación Universal de Newton. Estas ecuaciones siguen utilizándose hoy en día.
Usando la ley de la relatividad general, Einstein formuló una serie de predicciones. Demostró, por ejemplo, cómo su teoría explicaba el movimiento del planeta Mercurio. También predijo que un objeto masivo,como el Sol, debe distorsionar el camino que recorre la luz al pasar cerca de él. La geometría del espacio se comporta entonces como si fuera una lente.
Einstein también sostuvo que la longitud de onda de la luz emitida por una fuente cercana a un objeto masivo se debería estirar, es decir, debería sufrir un corrimiento hacia el rojo, ya que sale del espacio-tiempo curvado cercano al objeto masivo. Estas tres predicciones ahora se llaman las tres pruebas clásicas de la relatividad general.

La relatividad general.

En 1919, el astrónomo inglés Arthur Eddington  viajó a la isla de Príncipe situada en la costa de África occidental para ver si podía detectar la lente de la luz predicha por la relatividad general. Su plan era observar un cúmulo brillante de estrellas llamadas las Híades en el momento en el que el Sol pasaba delante de ellas. Para ver la luz de las estrellas, Eddington necesitaba un eclipse total de Sol para suprimir el resplandor del nuestra estrella.
Si la teoría de Einstein es correcta, las posiciones de las estrellas de las Híades deberían cambiar en un porcentaje aproximado de una parte entre dos mil de un grado.
Para señalar la posición de las Híades en el cielo, Eddington primero tomó una fotografía en la noche de Oxford. Luego, el 29 de mayo de 1919, fotografió a las Híades mientras yacían casi directamente detrás del Sol durante el eclipse total que se produjo ese día en la isla de Príncipe. Comparando las dos mediciones, Eddington fue capaz de demostrar que el cambio fue como Einstein había predicho y demasiado grande para ser explicado por la teoría de Newton.
Tras la expedición del eclipse, hubo cierta controversia en creer que los datos del análisis de Eddington habían sido correctos. Pero en la década de 1970, cuando las placas fotográficas fueron analizadas nuevamente, el análisis de Eddington demostró ser correcto.
El periódico The Times de Londres publicó: "triunfa la Teoría de Einstein". A partir de entonces, a medida que se han demostrado más consecuencias de su teoría, la relatividad general se ha arraigado en el saber popular, con su descripción de un Universo en expansión y los famosos agujeros negros. En 1959, Robert Pound y Glen Rebka anunciaban la comprobación del corrimiento al rojo de la luz (corrimiento de la longitud de onda), emitida por una estrella que se aleja de la Tierra a gran velocidad, lo que constituía la tercera prueba clásica, propuesta por Einstein en 1907.
2. CÓMO LA RELATIVIDAD GENERAL DA FORMA A NUESTRO UNIVERSO

La teoría general de la relatividad de Einstein ha revelado que el Universo es un lugar extremo. Ahora sabemos que era caliente y denso, y que se ha expandido durante los últimos 13,7 mil millones años. También dedujo la existencia de regiones tan densas que deforman el espacio-tiempo, llamadas agujeros negros que atrapan todo lo que entran en sus garras.

Agujeros negros en la Teoría General de la Relatividad.

Poco después de que Einstein propusiera su teoría de la relatividad general, un físico alemán llamado Karl Schwarzschild encontró una de las primeras y más importantes soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein. Ahora conocida como la solución de Schwarzschild, este resultado describe la geometría del espacio-tiempo alrededor de estrellas muy densas, teniendo algunas características muy extrañas.
Para empezar, justo en el centro de tales organismos, la curvatura del espacio-tiempo se hace infinita, formando una característica llamada singularidad. Una característica aún más extraña es una superficie esférica invisible, conocida como el horizonte de sucesos, alrededor de dicha singularidad. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar del horizonte de sucesos. Casi se puede pensar en la singularidad de Schwarzschild como un agujero en el tejido del espacio-tiempo.
En la década de 1960, el matemático neozelandés Roy Kerr descubrió una clase más general de soluciones para las ecuaciones de campo de Einstein. Describen objetos densos que están girando, y son incluso más extraños que la solución de Schwarzschild.
Los objetos que las soluciones de Schwarzschild y de Kerr describen se conocen como agujeros negros. Aunque todavía no se ha visto directamente ningún agujero negro, hay pruebas abrumadoras de su existencia. Normalmente se detectan a través de los efectos que tienen en las inmediaciones de cuerpos astrofísicos tales como las estrellas o el gas.

El Universo en expansión.

Una de las predicciones más sorprendentes de la relatividad general la obtenemos si tenemos en cuenta lo que ocurre en el Universo en su conjunto.
Poco después de que Einstein publicara su teoría, el meteorólogo y matemático ruso Alexander Friedmann y el sacerdote belga Georges Lemaître demostraron que el Universo debe evolucionar en respuesta a toda la energía que contiene. Argumentaron que el Universo debería tener un inicio pequeño y denso, para expandirse y diluirse con el tiempo. Como resultado, las galaxias se alejarían unas de las otras.
Einstein no confiaba en esta conclusión de Friedmann y Lemaître, sino que él creía en un Universo estático. Pero un descubrimiento realizado por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble hizo que cambiara de idea.
Hubble analizó el alejamiento de las galaxias de la Vía Láctea. Descubrió que las galaxias distantes se alejan más rápido que aquellas que están relativamente cerca. Las observaciones de Hubble demostraron que el Universo se está expandiendo. Este modelo del cosmos fue conocido más tarde como el Big Bang.
En los últimos 20 años, un gran número de observaciones de gran alcance realizadas por los satélites y los grandes telescopios han aportado aún más evidencias de la evolución y expansión del Universo. Hemos obtenido una medida exacta de la tasa de expansión del Universo y de la temperatura de la radiación remanentes del Big Bang, y hemos podido observar galaxias jóvenes cuando el Universo estaba en su infancia. Ahora se acepta que el Universo tiene aproximadamente 13,7 mil millones de años.
3. FRONTERAS DE LA TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD.

A continuación tenéis la tercera y última parte de una introducción a la Teoría General de la Relatividad.
La relatividad general predice que el Universo está lleno de fenómenos exóticos. El espacio-tiempo puede temblar como la superficie de un estanque y parece estar lleno de una misteriosa forma de energía que está expandiendo el Universo. También es posible que el espacio-tiempo esté tan deformado que sea posible viajar hacia atrás en el tiempo.

Ondas gravitatorias.

Según la relatividad general de la relatividad, incluso el espacio-tiempo vacío de estrellas y galaxias, puede tener una vida propia. Las conocidas ondas gravitacionales se pueden propagar a través del espacio de la misma manera que las ondas repartidas en la superficie de un estanque.
Una de las pruebas restantes de la relatividad general es medir directamente las ondas gravitacionales. Con este fin, los físicos experimentales han construido el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitatorias (LIGO) en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana. Cada experimento consta de rayos láser que se reflejan entre espejos colocados hasta a 4 kilómetros de distancia. Si una onda gravitacional pasa a través del espejo, distorsiona ligeramente el espacio-tiempo, dando lugar a un cambio en los rayos láser. Al monitorizar las variaciones de tiempo en los rayos láser, es posible buscar los efectos de las ondas gravitacionales.
Nadie ha detectado una onda gravitacional directamente, pero tenemos pruebas indirectas de que existen, como las halladas en los púlsares.

El Universo oscuro.

El Universo en expansión predicho por la relatividad general se ha convertido en una teoría firmemente arraigada en la ciencia moderna. A medida que nuestra capacidad de observar galaxias lejanas ha mejorado, el mapa del Cosmos se ha ampliado, generando una imagen de un Universo que ha revelado características muy exóticas.
Para empezar, los astrónomos han sido capaces de medir la velocidad de las galaxias espirales distantes, y esto muestra que la periferia de las galaxias están girando demasiado rápido como para ser frenadas por la masa de las estrellas y el gas que contienen. Más masa es necesaria en las galaxias para generar la suficiente gravedad que muestran en su comportamiento.
La explicación popular es que las galaxias contienen grandes cantidades de otras formas de materia conocida como "materia oscura" porque no emite ni refleja la luz. La materia oscura se agrupa alrededor de las galaxias y los cúmulos de galaxias en bolas gigantescas conocidas como halos.

Gravedad cuántica.

La relatividad general es sólo uno de los pilares de la física moderna. El otro es la mecánica cuántica, que describe lo que sucede a escala atómica y subatómica. Su encarnación moderna, la teoría cuántica de campos, ha sido un éxito espectacular para describir y predecir el comportamiento de las partículas y las fuerzas fundamentales.
El principal desafío ahora es combinar las dos ideas en una teoría general, que se conocerá como la gravedad cuántica. Esta teoría sería crucial para explicar los primeros instantes del Big Bang, cuando el Universo era denso, caliente y pequeño, o lo que ocurre cerca de la singularidad en los núcleos de un agujero negro, donde los efectos de la física cuántica pueden competir con los de la relatividad general.
Aunque no existe todavía ninguna teoría definitiva de la gravedad cuántica, hay varias teorías candidatas siendo exploradas. Una de ellas es la teoría de cuerdas.

11 comentarios:

  1. Hola Verónica.
    No se sí Einstein estaría muy de acuerdo con algunos de los postulados que decís se derivan de la Relatividad General.
    Uno de los principios básicos que nos lego, fue el postulado sobre la luz como muy bien se anuncia:
    Se postula que la velocidad de la luz es siempre la misma, independientemente del movimiento de la persona que lo mide.
    Nos dio lo que es en realidad, una unidad básica para el calculo relativo de todos los movimientos, un nexo.
    Al mismo tiempo, nos dejo una de las mayores pregunta que la física tendrá que responder.
    ¿Porqué la luz tiene esa velocidad y no otra cualquiera?
    Gracias Einstein.
    Un saludo
    Josep

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    1. La velocidad de la luz viene dada por digamos la elasticidad del medio en que se propaga que es el mismisimo espacio-tiempo. Luego es lógico pensar en que es una velocidad limite relacionada por las cualidades del universo mismo que son las cualidades del espacio-tiempo.

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  2. Y no sólo la velocidad de la luz. En la naturaleza hay otras constantes: h, e, pi,...que si variaran las leyes de la física nos mostrarían un Cosmos totalmente diferentes. Es un tema muy interesante pero por el momento seguimos sin saber por que las constantes universales tienen el valor que tienen.

    Un saludo!

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  3. Hola Verónica.
    Sí, pero todas están relacionadas.
    No hace falta variarlas, solamente re entenderlas y no dar nunca por sentado que lo que creemos es lo absolutamente cierto.
    Por ejemplo la luz o las ondas electromagnéticas, sin la materia oscura y una cierta característica de la gravedad relacionada con el movimiento directamente proporcional al la velocidad, no existirían. y a pesar de re interpretar en cierta manera alguna ley física, no por ello variara nuestra interpretación del Cosmos.
    Un saludo y feliz dia del libro y la rosa.
    Josep

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  4. Hola,

    Ciertamente el tema de las constantes de la naturaleza, o su posible constancia, es una de las grandes cuestiones a resolver por la física. Como por ejemplo la relación entre k, h, c y G con la escala de Planck e incluso las dimensiones del universo visible medido en unidad de longitud de Planck. O por ejemplo la constante de estructura fina en el caso del acoplamiento electromagnético y del acoplamiento fuerte. Variaciones leves en la misma causaría que nuestro universo fuese completamente diferente (desastre del diprotón (al crearse el He-2), carbono inestable o la no posibilidad de existencia de átomos relativistas.

    Un tema muy interesante y para el que sin duda alguna, queda un laaaaaaaaaaaaaargo camino.

    Un saludo,
    Fran

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  5. Einstein no creia en la existencia de los agujeros negros. Los consideraba "bromas matematicas" que los estudiantes solian hacer con la teoria cuando obviaban infinitos. Asimismo, la materia y la energia oscuras tan ciertas como la teoria del "flogisto" que usaban los griegos para explicar el fuego antes de la quimica. En fin hay mucho trabajo que hacer

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  6. Cuando Einstein publicó su primer artículo sobre la luz y que no era necesaria la utilización de "eones" para medirla, se dio a conocer cuando solo era un empleado. Al explicar la curvatura espacio-tiempo, también predijo que las Teorías de Newton no se aplicaban a Mercurio, pero las de la relatividad si. Esto fue comprobado si embargo las leyes de Newton se utilizan para medir con precisión los movimientos de otros cuerpos celestes. Newton tampoco consideraba la idea de que no existiera un universo absoluto a pesar de que sus propias leyes lo imponían. Fue duramente criticado por ello. Actualmente se quiere crear una teoría cuántica de la gravedad, donde se puedan aplicar la Física Cuántica y la Teoría de la Relatividad, que actualmente son correctas pero se contradicen entre si.

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    1. Hola Jorge,

      La física cuántica y la teoría de la relatividad no se contradicen, pues de hacerlo, al menos una sería incorrecta. Simplemente contemplan interacciones diferentes, por un lado la electromagnética/nuclear fuerte/nuclear débil y por otro la gravitatoria.

      Yo creo que no debemos olvidar que una diferencia crítica entre la teoría de la relatividad de Einstein y la gravedad de Newton era que para Newton la "transmisión" del efecto de la gravedad era instantáneo, mientras que para Einstein dicha transmisión tenía una velocidad límite, c.

      Saludos,
      Fran

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  7. ¿Desde que concepto se explica el hecho de que una persona en un vehículo que se desplaza a 80km/h, puede ser considerada en reposo o en movimiento?

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    1. Depende del observador. Si tú estás dentro del coche, para tí esa persona no se mueve. Pero si miras el coche desde la acera, esa persona se moverá a 80 Km/h.

      Un saludo.

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