La relatividad busca espacio

Vista de la Galaxia espiral NGC4414

"El espacio-tiempo es curvo, terso como la piel de un tambor y algo viscoso". Con estas palabras el físico y director del Centro de Astrobiología Juan Pérez Mercader desgrana la teoría de la relatividad de Einstein, de la que ha realizado, junto a su equipo de colaboradores, su comprobación experimental. Inicia así sus regulares colaboraciones para EL CULTURAL. Además, se analizan los estudios de los distintos satélites que verifican actualmente los hallazgos del genio alemán.

Espacio y tiempo nos resultan familiares a todos. Nos percatamos de la existencia del tiempo cuando al observar un sistema cualquiera percibimos cambios en su estado, en su aspecto; de forma análoga nos percatamos del espacio por las relaciones entre los objetos que lo pueblan. La cara de nuestros amigos cambia; la habitación contiene objetos.

El espacio tiene tres dimensiones; alto, ancho y profundo; al tiempo sólo le corresponde una. El espacio y el tiempo tienen propiedades muy diferentes; por ejemplo, en el espacio es posible desplazarse hacia atrás y hacia delante, hacia arriba y hacia abajo, a la derecha o a la izquierda, mientras que en el tiempo sólo es posible ir en una dirección, del pasado hacia el futuro. El espacio lo caracterizamos mediante distancias y la acumulación de objetos; el tiempo mediante el tic-tac del reloj, mediante cambios en los objetos. Esa es nuestra experiencia cotidiana. Pero... ¿De dónde emergen el espacio y el tiempo?

¿Por qué existen? ¿Qué papel juegan en el Universo? Estas son preguntas que nos hemos hecho desde siempre, pero sólo las empezamos a comprender desde finales del siglo XIX. El nivel más profundo de comprensión ha tenido lugar a partir de los primeros años del siglo XX, cuando Albert Einstein enunció su teoría especial de la relatividad que luego extendió a la general. Con la teoría especial Einstein resolvió las incompatibilidades que había entre la descripción de los fenómenos electromagnéticos y los mecánicos; esto le condujo a introducir una cierta "equivalencia" entre espacio y tiempo.

Con esta teoría especial de la relatividad del espacio y del tiempo, el sabio alemán le asestó el golpe definitivo a la noción del éter, de que existía una especie de "fluido" en el que evolucionaban las cosas. En ella descubrió Einstein la equivalencia entre masa y energía, su famoso E=mc2, que tan importante papel jugaría para el desarrollo de la industria nuclear y su impacto esencial para la evolución histórica del siglo XX. En la raíz de la relatividad especial estaba la ausencia de aceleraciones.

En su teoría general Einstein amplió la teoría especial a situaciones en las que los observadores se movían con velocidad no constante, en las que había aceleración. Pero... en nuestra existencia cotidiana convivimos con la presencia de una aceleración: la fuerza de la gravedad, a la cual es proporcional el peso de esta página (o ¡el del lector!) y que imprime una aceleración a cualquier objeto con masa.

Espacio-tiempo, masa y aceleración. Espacio-tiempo y fuerzas. Espacio-tiempo y gravitación. Esto llevó a Einstein a una concepción dinámica del espacio-tiempo en la que se sustenta la comprensión que tenemos hoy en día del Universo. Una concepción de consecuencias inesperadas, pero comprobables dentro de la más pura tradición científica: las ecuaciones matemáticas se pueden estudiar y, sobre el papel, imaginar situaciones reales que se desprenden de las fórmulas. ¿A qué situaciones reales conducían las fórmulas de Einstein?

En el albero de una plaza de toros discurre la acción, la corrida de toros. Allí tienen lugar una serie de hechos que se rigen por unas reglas. El espacio y el tiempo son como ese albero; en ellos se desarrolla el drama de la evolución del Universo. En él se unen las fuerzas, la materia, el vacío y el propio espacio-tiempo para conformar el universo.

El espacio-tiempo lo modeló Einstein con base en su geometría. Al fin y al cabo, alto, ancho y profundo están relacionados con geometría. y en su concepción dinámica enuncia mediante sus ecuaciones que la geometría del espacio-tiempo la fijan los demás componentes del Universo. Y viceversa. La gravitación ya no sólo afecta a los objetos con masa sino a todo lo que implique energía, ya que su E=mc2 así lo implica. La fuerza de la gravedad pasa a ser una consecuencia de que la geometría del espacio-tiempo no tiene por qué ser plana; por el mero hecho de que los objetos evolucionen, vivan, cambien en el espacio-tiempo, éste se curva, deja de ser "rectilíneo". Esas son las reglas de la corrida de toros.

Einstein expresó estas ideas en unas ecuaciones que ocupan bastante menos de un renglón, y con las cuales se podían hacer comprobaciones de lo que comporta su noción del espacio-tiempo y por ello del Universo.
La luz es una manera de "empaquetar" energía. Por lo tanto si la presencia de masa genera curvatura en el espacio-tiempo, su teoría implicaría que la luz no viajaría en línea recta cuando pasa cerca de una estrella, de un objeto con masa, ya que la masa curvaría el espacio-tiempo cercano. Además lo haría de una forma muy específica. Y así se comprobó observacionalmente en 1919; tal y como había predicho Einstein tres años antes.

La teoría de Einstein resolvía problemas que tenía planteada la astronomía desde el siglo XIX y que afectaban a la órbita del planeta Mercurio. Pero su estudio matemático arrojaba mucho más, abría puertas cerradas hasta entonces y que nos transportan a nuevas visiones. Por ejemplo, su aplicación al Universo, al Cosmos (del griego kosmos=belleza, orden, armonía), implicaba algo revolucionario: el Universo tendría que ser dinámico, no podría ser un ente estático, sin evolucionar, y en el que no fuera posible contemplar la noción de un principio y un fin. Esto era impensable hasta bien entrados los años veinte, pues la evidencia observacional que se tenía hasta entonces indicaba lo contrario: que el Universo era estático. Hasta que a mediados de los años veinte Edwin Powell Hubble descubrió que el Universo se expandía... tal y como se deducía de las ecuaciones de Einstein y como había sido predicho una década antes.

Esta predicción de la teoría general de la relatividad acerca de la naturaleza dinámica del Universo es una consecuencia inmediata de las ecuaciones de Einstein, e iba tan en contra de lo que se pensaba entonces que ni el propio físico alemán se la creyó; por ello modificó sus ecuaciones, con el fin de acomodar el conocimiento observacional que se tenía hasta entonces. La modificación que introdujo (necesaria por razones diferentes a las que él consideró) consistió en añadirle un término a sus ecuaciones que "frenaban" la expansión del Universo; este término representaba la energía del vacío.

Según él, la presencia de algún tipo de energía en el vacío generaría el equivalente a un campo gravitatorio que frenaría la expansión del Universo. Este término, que recibe el nombre de constante cosmológica, sería calificado años más tarde por Einstein como "el error más importante de mi vida" ya que le impidió predecir la expansión del Universo; sin embargo, y como diría el gran Bohr, "hasta los errores de un genio son positivos", ya que con él se adelantaba Einstein a la noción de vacío que se usa hoy en día en el ámbito de la mecánica cuántica, de la física de lo muy pequeño.

En la cosmología contemporánea este término parece esencial para reconciliar lo que conocemos del microcosmos con lo que sabemos del macrocosmos, pero comprenderlo desde un punto de vista básico sigue suponiendo un dolor de cabeza morrocotudo para los teóricos de varias generaciones.

Pero la teoría de Einstein tenía más predicciones. Para escapar de la atracción de la gravedad terrestre es necesario moverse con una velocidad un poco superior a los once kilómetros por segundo. Según esta hipotesis deben de existir objetos en el Universo donde la concentración de masa sea tan alta que la velocidad de escape sea la de la luz. Son los famosos agujeros negros, que aún no han sido detectados de forma inequívoca pero para los que hay decenas de candidatos en el inmenso firmamento.

Todas las predicciones que hemos descrito hasta el momento se desprenden de la teoría de Einstein y también, aunque sólo de forma cualitati- vamente similar, de la teoría de la gravitación universal de Newton. La diferencia entre una teoría y otra está en lo cuantitativo que, tras la comprobación experimental, siempre se ha inclinado a favor de la teoría de Einstein. La concepción del espacio-tiempo que nos legó Einstein y que describíamos de forma somera al principio tiene varias predicciones que no son derivables ni tan siquiera cualitativamente de la teoría de Newton. De manera figurativa las podemos resumir así: (1) el espacio-tiempo se comporta como la piel de un tambor y, (2), no sólo la masa de los cuerpos, sino también su movimiento genera fuerza gravitatoria.

El espacio y el tiempo son como una sábana en la que se colocan canicas. Cerca de las canicas la sábana se deforma por el peso. Esa deformación curva la sábana: una curvatura que representa la deformación del espacio-tiempo que produce un objeto con masa. Pero esta analogía va más lejos.

Según Einstein, al igual que una sábana que estuviera muy tensa y sobre la que diéramos golpes, el espacio-tiempo podría vibrar. Sería como un tambor. El equivalente a las vibraciones del tambor son las ondas gravitatorias. Las vibraciones del tambor las produciría un evento catastrófico como la explosión de una supernova (estrella que explota desprendiendo gran cantidad de energía y luminosidad). Aunque no se han detectado directamente, hay evidencia indirecta de la existencia de estas ondas gravitatorias y hoy en día se construyen instrumentos para su detección y estudio.

La segunda predicción genuina de la concepción einsteiniana del espacio-tiempo es muy sutil. Y profunda. Implica que todos los objetos del Universo están en contacto con todos y que todo influye en todo. La predicción emana de la equivalencia entre energía y masa que subyace la teoría general de la relatividad. Cuando intentamos poner en movimiento un cuerpo hemos de impartirle energía que el cuerpo lleva en forma de energía cinética o de movimiento; según Einstein esa energía debería de crear un campo gravitatorio. Es un efecto extremadamente pequeño pero que es mensurable y detectable; tan pequeño que él decía que (en los años veinte) era "impensable medirlo". Este efecto existe, y ha necesitado de tecnología de láser combinada con radar, óptica de precisión y satélites hasta que se ha podido medir hace tan sólo un par de años. Y se mide justo lo que decía Einstein.

Una vez más: Einstein nos provee con una maravillosa incursión de la mente humana en las intimidades de la Naturaleza. En pocas palabras, el espacio-tiempo es curvo, terso como la piel de un tambor y ... algo "viscoso". Dentro de esa concepción entendemos ahora la evolución del Universo, desde el todo hasta los sistemas planetarios o los haces de luz que se desplazan por el Universo.