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Stephen Hawking, Traducción: Guillermo Guevara Pardo, La versión original en inglés (A brief history of relativity), apareció en la revista TIME de diciembre 31 de 1999, vol. 154, # 27, páginas 32-37

¿Qué es? ¿Cómo funciona? ¿Por qué transforma todo? Un texto sencillo escrito por el físico vivo más famoso del mundo.

Hacia finales del siglo XIX los científicos creían que estaban cerca de alcanzar una descripción completa de la naturaleza. Ellos imaginaban que el espacio estaba impregnado por todas partes de un medio continuo llamado éter. Los rayos de luz y las señales de radio eran ondas en el éter exactamente como el sonido son ondas de presión en el aire. Todo lo que se necesitaba para completar la teoría era obtener medidas cuidadosas de las propiedades elásticas del éter; una vez ellas fueran concretadas, todo lo demás podría quedar ubicado en su lugar.

Pronto, sin embargo, empezaron a aparecer discrepancias con la idea de un éter que lo impregnaba todo. Usted esperaría que la luz se moviera a una velocidad determinada a través del éter. Así, si estuviera viajando en la misma dirección de la luz, debería esperar que esa velocidad pareciera ser más lenta, y si usted viajara en dirección opuesta, la velocidad de la luz parecería ser más rápida. A pesar de todo, una serie de experimentos fracasaron para encontrar cualquier evidencia que mostrara diferencias en la velocidad de la luz debida al movimiento a través del éter. El más cuidadoso y preciso de esos experimentos fue el realizado por Albert Michelson y Edward Morley en el Case Institute en Cleveland, Ohio, en 1887. Ellos compararon la velocidad de la luz en dos rayos en ángulo recto uno respecto del otro. Como la Tierra gira sobre su eje y orbita alrededor del Sol, razonaban ellos, la luz se moverá a través del éter y la velocidad en esos dos rayos debería diverger. Pero Michelson y Morley no encontraron diferencias ni diarias ni anuales entre las velocidades de los dos rayos de luz. Era como si la luz viajara siempre a la misma velocidad relativa, sin importar cómo se estuviera usted moviendo.

Los físicos George FitzGerald (irlandés) y Hendrik Lorentz (holandés) fueron los primeros en sugerir que los cuerpos que se movieran a través del éter deberían contraerse y los relojes ir más despacio. Este encogimiento y enlentecimiento debería ser tal que cualquiera podría medir la misma velocidad de la luz sin importar cómo se estuviera moviendo con respecto al éter, el cual FitzGerald y Lorentz consideraban una sustancia real.

Pero había un joven oficinista llamado Albert Einstein, trabajando en la Oficina de Patentes en Berna (Suiza), quien omitió el éter y resolvió el problema de la velocidad de la luz de una vez para siempre. En 1905 él escribió uno de los tres artículos que lo establecerían como uno de los científicos destacados del mundo y en el proceso que inició las dos revoluciones conceptuales que cambiaron nuestro entendimiento del tiempo, el espacio y la realidad.

En el artículo de 1905 Einstein señalaba que, puesto que usted no podría detectar si se estaba o no moviendo a través del éter, toda la noción del mismo era redundante. En cambio, Einstein empezó a postular que las leyes de la ciencia deberían ser las mismas para todos los observadores moviéndose libremente. En particular, todos los observadores deberían medir la misma velocidad de la luz, sin importar cómo se estuvieran ellos moviendo.

Esto requirió abandonar la idea de que hay una cantidad universal llamada tiempo que miden todos los relojes. En lugar de eso, cada uno podría tener su propio tiempo personal. Los relojes de dos personas podrían concordar si ellos estuvieran en reposo uno respecto del otro, pero no si estuvieran en movimiento. Esto ha sido confirmado por una cantidad de experimentos, incluyendo uno en el cual un reloj extremadamente exacto estuvo viajando alrededor de la Tierra y luego comparado con otro que permaneció en reposo. Si usted quisiera vivir más tiempo, debería viajar hacia oriente de tal manera que a la velocidad del avión se añadiera la de la rotación de la Tierra. Sin embargo, la diminuta fracción de segundo ganada podría ser más que contrarrestada por las comidas ingeridas en la línea aérea.

El postulado de Einstein de que las leyes de la naturaleza deberían ser las mismas para todos los observadores moviéndose libremente fue la base de la teoría de la relatividad, así llamada porque implica que únicamente el movimiento relativo es importante. Su belleza y simplicidad convencieron a muchos científicos y filósofos. Pero aún permaneció algo de oposición. Einstein había derrumbado dos de los Absolutos (con A mayúscula) de la ciencia del siglo XIX: el Reposo Absoluto representado por el éter y el Tiempo Absoluto o Universal que todos los relojes podrían medir. ¿Implicaba esto, preguntaban las personas, que no había reglas morales absolutas, que todo era relativo?

Esta inquietud continuó a través de los años 1920 y 1930. Cuando Einstein fue galardonado con el premio Nobel en 1921, la mención fue por la importancia de un trabajo también realizado en 1905, pero en criterio de Einstein comparativamente menor. No había ninguna mención de la relatividad, la cual era considerada demasiado discutible. Yo todavía recibo dos o tres cartas semanales diciéndome que Einstein estaba equivocado. Sin embargo, la teoría de la relatividad es ahora completamente aceptada por la comunidad científica y sus predicciones han sido verificadas en incontables aplicaciones.

Una consecuencia importante de la relatividad es la relación entre masa y energía. El postulado de Einstein de que la velocidad de la luz debe ser la misma para cualquier observador implica que nada podría moverse más rápido que la luz. Lo que sucede cuando la energía es usada para acelerar una partícula o una nave espacial, es que la masa del objeto se incrementa, haciéndose más difícil de acelerarlo más. Acelerar una partícula a la velocidad de la luz es imposible porque ello gastaría una cantidad infinita de energía. La equivalencia de masa y energía está resumida en la famosa ecuación de Einstein E= mc2, probablemente la única ecuación de la física reconocida en la calle.

Entre las consecuencias de esta ley está que si el núcleo de un átomo de uranio se fisiona (se divide) en dos núcleos con un poco menos de la masa total, una tremenda cantidad de energía es liberada. En 1939, con la Segunda guerra Mundial vislumbrándose, un grupo de científicos quienes comprendieron las implicaciones que eso tenía, persuadieron a Einstein para superar sus escrúpulos pacifistas y escribiera una carta al presidente Rooselvet urgiéndolo para que Estados Unidos iniciara un programa de investigación nuclear. Esto llevó al Proyecto Manhattan y a la bomba atómica que explotó sobre Hiroshima en 1945. Algunas personas culpan a Einstein por la bomba atómica porque él descubrió la relación entre masa y energía. Pero eso es parecido a acusar a Newton por la Fuerza de la Gravedad que causa los accidentes de aviación. Einstein no tomó parte en el Proyecto Manhattan y se horrorizó por la explosión de la bomba.

Aunque la teoría de la relatividad se ajusta bien con las leyes que gobiernan la electricidad y el magnetismo, ella no es compatible con la ley de gravedad de Newton. Esta ley dice que si usted cambia la distribución de la materia en una región del espacio, el cambio en el campo gravitacional debería experimentarse en todas partes del Universo. Esto no significa únicamente que usted podría enviar señales que viajaran más rápido que la luz (algo prohibido por la relatividad), sino también que se requiere del Tiempo Absoluto o Universal que la relatividad había abolido en favor de un tiempo personal o relativístico.

Einstein era conciente de esta dificultad en 1907, mientras aún estaba en la Oficina de Patentes en Berna, pero no empezó a pensar seriamente acerca de él hasta que estuvo en la Universidad Alemana en Praga en 1911. Él entendió que hay una estrecha relación entre aceleración y campo gravitacional. Alguien encerrado en una caja no puede decir si está en reposo en el campo gravitacional de la Tierra o está siendo acelerado por un cohete en el espacio vacío. (Esto sucedía antes de la era de Viaje a las estrellas, cuando Einstein pensaba en personas en el interior de ascensores en lugar de naves espaciales. Pero usted no puede acelerar o caer libremente más lejos en un ascensor antes del desastroso choque).

Si la Tierra fuera plana, uno podría decir que la manzana cayó sobre la cabeza de Newton debido a la gravedad o que la cabeza de Newton golpeó la manzana porque él y la superficie terrestre estaban acelerándose hacia arriba. Sin embargo, esta equivalencia entre aceleración y gravedad no parece funcionar para una Tierra redonda; las personas sobre el otro lado del mundo han de ser aceleradas en dirección opuesta, pero ellas permanecen a una distancia constante de nosotros.

A su regreso a Zurich en 1912 Einstein estaba frenético. Comprendió que la equivalencia de gravedad y aceleración podría funcionar si había una concesión mutua en la geometría de la realidad. ¿Si el espacio-tiempo, (una entidad inventada por Einstein para incorporar las tres dimensiones familiares del espacio con una cuarta dimensión, el tiempo), fuera curvo y no plano como se había supuesto? Su idea de que la masa y la energía podrían deformar de alguna manera el espacio-tiempo debía ser aún determinada. Objetos como manzanas y planetas tratarían de moverse en línea recta a través del espacio-tiempo, pero sus trayectorias parecerían doblarse por un campo gravitacional pues el espacio-tiempo está curvado.

Con la ayuda de su amigo Marcel Grossmann, Einstein estudió la teoría de espacios y superficies curvadas que había sido desarrollada por Bernhard Riemann como una parte de las matemáticas abstractas, sin que nadie imaginara que pudiera ser relevante para el mundo real. En 1913, Einstein y Grossmann escribieron un artículo en el cual proponen la idea de que lo que nosotros juzgamos como fuerzas gravitacionales son sólo una expresión del hecho de que el espacio-tiempo está curvado. Sin embargo, debido a una equivocación de Einstein (quien era completamente humano y falible), no fueron capaces de encontrar las ecuaciones que relacionaban la curvatura del espacio-tiempo con la masa y energía contenida en él.

Einstein continuó trabajando sobre el problema en Berlín, sin ser alterado por asuntos domésticos y en gran parte poco afectado por la guerra, hasta que finalmente en noviembre de 1915, encontró las ecuaciones correctas. Einstein había discutido sus ideas con el matemático David Hilbert durante una visita a la Universidad de Göttingen en el verano de 1915; Hilbert, independientemente, había encontrado las mismas ecuaciones unos pocos días antes que Einstein. No obstante, como Hilbert lo admitió, el crédito de la nueva teoría pertenecía a Einstein. Era suya la idea de relacionar la gravedad con la deformación del espacio-tiempo. Es un homenaje al civilizado Estado de Alemania en ese periodo que tales discusiones e intercambios científicos no fueran perturbados aún en tiempos de guerra. ¡Qué contraste 20 años más tarde!

La nueva teoría del espacio-tiempo curvado fue llamada relatividad general para distinguirla de la teoría original que no consideraba la gravedad, la cual es ahora conocida como relatividad especial. La relatividad general fue confirmada de manera espectacular en 1919, cuando una expedición británica al África occidental observó un pequeño cambio en la posición de las estrellas cerca del Sol durante un eclipse. La luz, como Einstein lo había predicho, fue curvada cuando pasó cerca del Sol. Aquí había una evidencia directa de que el espacio y el tiempo estaban deformados; el más grande cambio en la percepción del mundo donde vivimos desde que Euclides escribió sus Elementos alrededor de 300 años antes de Cristo.

La teoría de la relatividad general de Einstein transformó el espacio y el tiempo de un fondo pasivo en el cual los eventos tenían lugar, a otro donde son participantes activos en la dinámica del cosmos. Esto llevó al gran problema que aún está a la vanguardia de la Física en el final del siglo XX. El Universo está lleno de materia y la materia deforma el espacio-tiempo, de tal forma que los cuerpos caen continuamente. Einstein encontró que sus ecuaciones no tenían una solución que describiera un Universo que era inmutable en el tiempo. En lugar de renunciar a un Universo estático y eterno, en el cual él y otras personas creían en ese tiempo, evadió las ecuaciones añadiendo un término llamado la constante cosmológica, la cual deformaba el espacio-tiempo de tal forma que separaba los cuerpos. El efecto repulsivo de la constante cosmológica podría equilibrar el efecto atractivo de la materia y permitir que el Universo perdurara por todo el tiempo.

Este cambio es una de las grandes oportunidades perdidas por los físicos teóricos. Si Einstein hubiera seguido con sus ecuaciones originales, podría haber predicho que el Universo debe estar expandiéndose o contrayéndose. Como sucedió, la posibilidad de un Universo que dependiera del tiempo no fue tenida en cuenta seriamente hasta las observaciones que fueron hechas en los años 1920 con el telescopio de 100 pulgadas en Mount Wilson. Ellas revelaron que otras galaxias están más lejos y que se alejan rápidamente de nosotros. En otras palabras, el Universo está expandiéndose y la distancia entre dos galaxias cualquiera está aumentando constantemente con el tiempo. Einstein llamó más tarde a la constante cosmológica el más grande error de su vida.

La relatividad general cambió completamente la discusión acerca del origen y destino del Universo. Un Universo estático podría haber existido por siempre o haber sido creado en la forma actual en algún momento del pasado. Por otra parte, si las galaxias se están alejando unas de otras, ellas debieron haber estado mucho más juntas en el pasado. Hace cerca de 15 mil millones de años, las galaxias habrían estado una encima de la otra y su densidad habría sido infinita. De acuerdo con la teoría general, este Big Bang fue el inicio del Universo y del tiempo mismo. Quizás Einstein merece ser el personaje de un periodo más largo que los pasados 100 años.

La relatividad general también predice que el tiempo se detiene en el interior de los agujeros negros, regiones del espacio-tiempo que están tan deformadas que ni la luz puede escapar de ellos. Pero el inicio y el fin del tiempo son lugares donde las ecuaciones de la relatividad general se desmoronan. Así, la teoría no puede predecir qué podría emerger del Big Bang. Algunos ven esto como una señal de la libertad de Dios para iniciar el Universo de cualquier manera por Él deseada. Otros (yo mismo incluido) sienten que el inicio del Universo estaría gobernado por las mismas leyes que lo han dominado en todos los tiempos. Hemos hecho grandes progresos hacia ese objetivo, pero aún no tenemos un entendimiento completo del origen del Universo.

La razón por la cual la relatividad general es inoperante en el momento del Big Bang es que ella no es compatible con la teoría cuántica, la otra gran revolución conceptual de inicios del siglo XX. El primer paso hacia la teoría cuántica se dio en 1900, cuando Max Plank, trabajando en Berlín, descubrió que la radiación de un cuerpo calentado al rojo vivo podría ser explicada si la luz viene únicamente en paquetes de un cierto tamaño, llamados cuantos. Es como si la radiación estuviera empacada de manera semejante al azúcar; en el supermercado usted no puede comprar una cantidad arbitraria de azúcar suelta sino que únicamente la puede comprar en bolsas de una libra. En uno de sus novedosos artículos escrito en 1905, cuando aún permanecía en la Oficina de Patentes, Einstein demostró que la hipótesis cuántica de Plank podría explicar el llamado efecto fotoeléctrico, la manera como ciertos metales emiten electrones cuando la luz golpea sobre ellos. Esta es la base de los modernos detectores de luz y cámaras de televisión y fue por este trabajo por el cual Einstein fue galardonado con el premio Nobel en física en 1921.

Einstein continuó trabajando en la idea cuántica en los años 1920 pero estaba profundamente perturbado por el trabajo de Werner Heisenberg en Copenhague, Paul Dirac en Cambridge y Erwin Schrödinger en Zurich, quienes desarrollaron una nueva imagen de la realidad llamada mecánica cuántica. Ninguna partícula atómica tiene una posición y velocidad definidas. Por el contrario, entre más precisamente se determine la posición de la partícula, con menos exactitud se puede determinar su velocidad, y viceversa.

Einstein estaba horrorizado por esta indeterminación, elemento desconcertante en las leyes básicas y nunca aceptó completamente la mecánica cuántica. Sus sentimientos fueron expresados en el famoso aforismo “Dios no juega a los dados”. Sin embargo muchos otros científicos aceptaron la validez de las nuevas leyes de la mecánica cuántica porque ellas se mostraban en excelente acuerdo con las observaciones y porque parecían explicar un amplio rango de fenómenos anteriormente inexplicados. La mecánica cuántica es la base de los modernos avances en química, biología molecular y electrónica y la base de la tecnología que ha transformado el mundo en la pasada mitad de la centuria.

Cuando en 1933 los nazis llegaron al poder en Alemania, Einstein abandonó el país y renunció a su ciudadanía alemana. Pasó los últimos 22 años de su vida en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, New Jersey. Los nazis lanzaron una campaña contra la “ciencia judía” y los científicos alemanes quienes fueran judíos (su éxodo es parte de la razón por la cual Alemania no fue capaz de construir una bomba atómica). Einstein y la relatividad fueron los principales objetivos de esa campaña. Cuando se anunció la publicación del libro Cien Autores Contra Einstein, él replicó, “¿Por qué cien? Si estuviera equivocado, uno habría sido suficiente”.

Después de la Segunda Guerra, él instó a los aliados a establecer un gobierno mundial para controlar la bomba atómica. Se le ofreció la presidencia del nuevo Estado de Israel en 1952 pero declinó el ofrecimiento. “La política es para el momento” escribió una vez “mientras… una ecuación es para la eternidad”. Las ecuaciones de la relatividad general son su mejor epitafio y monumento. Ellas deberían perdurar tanto tiempo como el Universo.

El mundo ha cambiado tanto en los pasados 100 años como en ningún otro siglo de la historia. La razón no es política o económica sino tecnológica – tecnologías que fluyeron directamente de los avances en ciencia básica. Claramente, ningún científico representa mejor esos avances que Albert Einstein: para TIME el personaje del siglo.