A Hombros de Gigantes

Aunque la frase se ha hecho célebre a raíz del libro de Stephen Hawking, este hace referencia a la frase de Sir Isaac Newton :

Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes

Lo que quiere decir es que las grandes revoluciones científicas no son sólo el fruto de una inspiración personal, sino que esta llega gracias al trabajo que se ha ido desarrollando a lo largo de los años y que permite que esa persona tenga en esos momentos esa “revelación” (o más comúnmente se le “encienda la bombilla”).

Mucha gente considera que Albert Einstein era un empleado de una oficina de patentes de Suiza que había sacado malas notas en el colegio y al que le vino una especie de “inspiración” que revolucionó todo lo que sabíamos.

El tema de las malas notas es una leyenda, basada en que el sistema de puntuación en Alemania era diferente del actual en España. Fue un buen estudiante de Física, con conocimientos, que trabajaba en la oficina de patentes hasta lograr entrar como profesor en una universidad.  No es como alguien que trabaja en un supermercado apilando carros de la compra y un día de golpe se le ocurre que igual las partículas elementales encajan formando cadenas que forman los bloques elementales de la materia y formula una teoría que revoluciona nuestra comprensión del universo.

Entre 1904 y 1905 Albert Einstein formuló la Teoría de la Relatividad Especial y la Teoría de la Relatividad General, en lo que se conoce como el año milagroso.

Una de las bases de sus teorías es que la luz se mueve a velocidad constante independientemente de la velocidad del observador. Esto va contra el sentido común ya que nuestra experiencia nos dice que si corremos hacia algo nos acercamos,  pero en cambio la luz de una estrella nos llega a la misma velocidad vayamos hacia ella o nos estemos alejando de ella.

La cuestión es que desde 1880 (25 años antes!) ya se había demostrado experimentalmente que la luz mantenía su velocidad independientemente de nuestra dirección gracias a Albert Michelson y Edward Morley , pero aún así la comunidad científica se negaba a aceptarlo buscando explicaciones alternativas.

Esto por un lado nos debe de hacer reflexionar sobre el ser humano y sobre la Ciencia. Los científicos ateos muchas veces han culpado a las religiones de frenar su avance, lo que sin duda es cierto, oponiéndose a los hechos demostrados por cuestiones de fe. Pero son los humanos, incluso los científicos,  los que frenan los avances cuando son contra sus creencias, científicas o religiosas.

A lo largo de la historia son muchos los científicos que se han opuesto y han luchado contra nuevas ideas que iban en contra de sus creencias,  por ejemplo Lord Kelvin y su lucha contra la Evolución darwiniana, así que en ocasiones cuando algo lo dice un científico no quiere decir que sea automáticamente cierto, aunque debemos confiar en lo que dicen los científicos basándose en evidencias y no en creencias.

Por otro lado el trabajo de Albert Einstein supuso un gran cambio en nuestra forma de entender el universo, y no cabe dudar de su genialidad, aunque su trabajo es el resultado de no ignorar los resultados de experimentos como el de Michelson-Morley.

Hay que caminar a hombros de gigantes, pero hubo gigantes después de Newton, y eso es lo que los contemporáneos de Einstein no supieron ver, y los gigantes son aquellos científicos que día a día nos descubren nuevas propiedades del universo.

La Teoría de la Relatividad

En las primeras décadas del siglo 20, un joven suizo que trabajaba en la oficina de patentes llamado Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad y cambió la imagen de la física y de la astronomía para siempre.

La teoría de la relatividad es quizás el desarrollo más exitoso de la historia de la ciencia en términos de su correlación con resultados experimentales y su habilidad para predecir nuevos fenómenos – sólo la mecánica cuántica puede competir con su éxito. La teoría de Einstein inmediatamente explicó algunos de los mayores problemas de la física y de la astronomía de su tiempo, y ha continuado explicando nuevos sucesos que ni siquiera se intuían hace 90 años, incluyendo la existencia de agujeros negros  y las recientes observaciones en cosmología. 

Aún así, aceptar la teoría de la relatividad nos obliga a rechazar casi todas las nociones previas sobre el universo, así como la mayor parte de lo que llamamos “sentido común”, El espacio y el tiempo, que los humanos centraban en la Tierra parecían ser un fijo e inmutable fondo sobre los que ocurrían sucesos en el cosmos, y en cambio dependiendo de lo cerca que esté de un objeto masivo, y la velocidad a la que pasa el tiempo puede cambiar dependiendo incluso de quien lo mida : Las manillas de un reloj se verán más pequeñas y moverán más lentamente conforme el reloj se mueva más rápido respecto a ti.

APLICACIONES DE LA RELATIVIDAD

La teoría de la relatividad es necesaria cuando estudiamos objetos que (a) se mueven en un campo gravitacional fuerte, o (b) se mueven cerca de la velocidad de la luz, o (b) . Si (b) es cierto, pero no (a) podemos servirnos de una versión más sencilla de la teoría llamada relatividad especial. Históricamente es la Einstein desarrolló primero, mientras que la más completa teoría general de la relatividad llegó luego.

En la vida cotidiana en la Tierra no suceden ni (a) ni (b), así que no necesitamos preocuparnos por la relatividad en absoluto. Aún así, sus efectos son muy importantes cuando se necesita una precisión extrema. Por ejemplo, una de las aplicaciones más cruciales de la relatividad tiene que ver con el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), que no funcionaría si no tuviéramos en cuenta los efectos relativísticos. Si alguna vez has usado un GPS te has beneficiado directamente de l teoría de la relatividad de Einstein!

Crédito: NASA 
La Gravedad y el espacio-tiempo  Concepto artístico del satélite Gravity Probe B orbitando la Tierra para medir el espacio-tiempo, una descripción de cuatro dimensiones del universo que incluye altura, anchura, largo y tiempo.

MOVIËNDOSE EN UN CAMPO GRAVITACIONAL FUERTE

Uno de los aspectos más increíbles de la teoría de la relatividad es que cambia por completo como entendemos la gravedad.

Los científicos saben desde hace tiempo que la gravedad es inusual. Toma unos bloques de madera, algunos grandes y otros pequeños, y tíralos desde una mesa.  Todos caen a la misma velocidad y al mismo tiempo.  Pega un trozo de metal a cada bloque, y atráelos con un imán: Se moverán a distinto ritmo.  Si intentas tirar de ellos con cuerdas necesitarás hacer más fuerza para mover los más grandes. ¿Por qué la gravedad, y sólo la gravedad, puede ajustarse a si misma para tirar de todo hacia la Tierra por igual?

Einstein contestó a esta pregunta de una forma revolucionaria. Según Einstein, la gravedad no es una fuerza que tire de las cosas, más bien es una curvatura del espacio y el tiempo causada por la presencia de un objeto masivo (como la Tierra). Cuando algo llega y se mueve por el objeto masivo , parece ser atraído por él. En realidad se mueve en la misma línea recta en la que se movía en su espacio tiempo, pero ahora esa línea recta parece que se ha curvado debido a que la gravedad comprime su contínuo espacio-tiempo.

Crédito : WorldAtlas.com

De hecho, si empiezas a caminar hacia el este desde Nueva York y continúas recto, poniendo cuidadosamente un pie delante del otro, siguiendo la trayectoria azul,  y cuando deberías estar pasado Roma, te encontrarás en África, cerca del ecuador. (Si no lo crees toma un globo terráqueo, estira un hilo de forma que esté recto y pásalo e oeste a este de Nueva York. Al ponerlo sobre el mapa pasará por África y a través del ecuador como la trayectoria azul del mapa superior).

¿Qué está pasando? Nada demasiado complicado realmente. Como sabemos la superficie del planeta es redonda, pero cuando intentamos representarla en un maa de dos dimensiones tenemos que “aplanarla”. En el proceso de este aplanamiento las cosas se retuercen y algunas líneas que antes son de hecho rectas rectas (como la trayectoria azul), parecen curvadas, mientras que algunas que en realidad son curvas (como la trayectoria roja) parecen rectas..

Según Einstein lo mismo sucede cerca de un objeto masivo, sólo que la curvatura sucede en algo que tiene cuatro dimensiones (El espacio en el que vivimos más una dimensión de tiempo) en lugar de en dos dimensiones (la superficie de la Tierra). El Espacio y tiempo cerca de un objeto masivo se “curvan” pero no lo podemos percibir directamente porque estamos limitados a ver cosas en tres dimensiones. Nuestros cerebros asumen que el espacio es plano y en el proceso de asumirlo las cosas se retuercen. Los objetos que de hecho se mueven en líneas rectas, parecen viajar por líneas curvas en el “mapa” que construimos dentro de nuestras cabezas, al ser atraídos por objetos masivos cercanos.

Una vez te has habituado, esta nueva de ver la gravedad es muy natural! ¿Has visto alguna vez a astronautas orbitar alrededor de la Tierra? ¿Parece que sean atraídos por algo? No, no lo parece : Experimentan la falta de gravedad, y si no miraran por la ventana y vieran la Tierra debajo podrían sacar la conclusión razonable de que su nave flota por el espacio vacío lejos de la gravedad de la Tierra. Según Einstein es una conclusión razonable porque las dos situaciones son equivalentes. Tanto si flotan por el espacio como si orbitan la Tierra los astronautas se mueven por la misma línea recta. De hecho también podríamos experimentar la ingravidez si no fuera por la superficie de la Tierra que nos hace car directos en línea recta hacia el centro de la Tierra. No es gravedad lo que sentimos, dice Einstein, sino simplemente el suelo tirando de nuestros pies.

EFECTOS DE LA CURVATURA DEL ESPACIO Y EL TIEMPO

El espacio y tiempo curvados predichos por Einstein tienen algunas consecuencias increíbles, muchas de las cuales han sido confirmadas por experimentos. Quizás la más famosa de ellas sea la que hace que la gravedad pueda doblar la luz cuando pasa por un espacio comprimido cerca de un objeto masivo. Este efecto fue observado por primera vez por Eddington en 1919, un suceso que impulsó a Einstein a la fama internacional. Los resultados de Eddington son considerados ahora cuestionables, pero las mejoras tecnológicas han demostrado espectacularmente que la predicción de Einstein eran correcta. En los últimos años los astrónomos no sólo han confirmado la capacidad de la gravedad de doblar la luz sino que también han encontrado evidencias circunstanciales muy fuertes de que los agujeros negros existen , objetos en los que la luz se dobla tanto que ni siquiera la luz logra escapar

Otro gran éxito de la teoría de Einstein es que solucionó algunos problemas serios que los astrónomos de su época tenían para entender la órbita de Mercurio, el planeta más cercano al Sol. Algunos pensaron que debía haber otro planeta invisible (al que llamaron Vulcano) cuya atracción gravitacional afectara a la órbita de Mercurio, pero Einstein demostró que todos los problemas desaparecían cuando la teoría de la relatividad se tenía en cuenta.

También hay efectos interesantes en relación a la “curvatura del tiempo” predicha por la teoría de la relatividad. Este efecto se manifiesta ralentizando el tiempo cerca de un objeto masivo, tanto que si observaras a alguien caer en un agujero negro verías su tiempo pararse completamente y parecería “congelarse y desvanecerse. La gravedad ralentizando el tiempo también afecta a la frecuencia de las ondas de luz y por eso su color es más azul cuando se acercan a un objeto masivo y más rojo al alejarse. Este efecto fue observado por primera vez en 1960 por Robert Pound y Glen Rebka, que disparó rayos gamma en la terraza de un edificio y midieron el cambio de color conforme se alejaban de la Tierra.

Recientemente la teoría de la relatividad ha sido objeto de numerosos trabajos por astrónomos que intentan entender la cosmología, el origen y la gran escala de la estructura del universo. Los astrónomos también están interesados en los resultados de LIGO y otros detectores, que intentan observar las ondas gravitacionales predichas por la teoría de la relatividad y que podrían ofrecernos una nueva forma de observar el universo.

MOVIENDOSE CERCA DE LA VELOCIDAD DE LA LUZ

Algunos de los aspectos más interesantes de la teoría de la relatividad se han mostrado, pero la primera parte de la teoría (relatividad especial) se desarrolló sin tener en cuenta los complicados efectos de la gravedad

De hecho,  Einstein desarrolló la teoría especial de la relatividad en respuesta a un sencillo problema de los físicos de su época. Se requiere un poco más que las matemáticas del instituto para entenderlo. La contribución de Einstein no fue matemáticamente brillante, pero si consideró ideas que la mayoría de la gente habría descartado por ridículas sin ni siquiera pensar en ellas.

Velocidad constante de la luz

En el siglo 19 los físicos interpretaron las leyes del electromagnetismo como que requerían “un marco preferido de referencia” para el universo, uno en el que la luz viajaba.Igual que sientes el viento más rápido cuando vas en un coche que se mueve respecto al aire, los físicos también pensaban que la luz iría más rápido (o más lento) dependiendo de como coincidiera el movimiento  de la Tierra en el espacio con el medio invisible, o éter, en el que viajaba la luz.

En 1880, sin embargo, los experimentos de Albert Michelson y Edward Morley demostraron algo importante  : El éter no existía !! Conforme la Tierra se mueve alrededor del Sol, su dirección cambia, así que su velocidad con respecto al éter debería también cambiar. Pero cuando Michelson y Morley realizaron mediciones precisas de la velocidad de la luz en diferentes direcciones , en diferentes momentos del año, encontraron que era siempre igual.

Estos resultados tenían extrañas implicaciones.

Imagine intentar medir la velocidad de un camión en una autopista mientras conduce en el carril de al lado. El camión conduce un poco más rápido que usted,  así que ve como se acerca.  Primero alcanza su rueda trasera, luego su puerta así que lo ve acercarse. De repente decide pisar el freno. En lugar de pasarle rápidamente el camión continúa poco a poco y se sitúa a la altura de su puerta. Aprieta el acelerador y el camión sigue ahí pesándole despacio y ya va por su rueda delantera Finalmente para su auto y el camión sigue alejándose a igual velocidad.

Parece que el camión ha estado imitando cada uno de tus movimientos, pero cuando compara las notas con una amiga que conducía en el tercer carril, al otro lado del camión, ella piensa que es a ella a quien imitaba el camión aunque ella conducía completamente diferente a usted – acelerando cuando usted frenaba y frenando cuando usted aceleraba! ¿Es posible? Podría, pero el experimento de Michelson-Morley demostró que si los camiones se comportaran como rayos de luz eso es exactamente lo que harían.

La solución simple de Einstein

Muchos científicos buscaron formas complicadas de descalificar los resultados de Michelson y Morley, pero Einstein hizo algo diferente : él simplemente los aceptó y se preguntó que consecuencias habría si la luz se comportara de una forma tan extraña.

Einstein se dió cuenta de que para que la velocidad de la luz fuera constante para todos los observadores otras cosas que todos asumían como constantes tenían que cambiar.  Contra más rápido se movieran dos personas respecto a cada una, más disentirían sobre la luz (o el camión en el ejemplo anterior), y más pensarían que había algo en la otra persona que debía estar fuera de sitio. Einstein demostró que las cosas que parecían fuera de lugar lo estarían en longitud y tiempo, y cada persona vería a la otra encoger en la dirección del movimiento y a sus relojes pulsar más lentamente.

A pesar de lo extraño que parezcan estos resultados, no hay contradicción con otras leyes de la física, y de hecho mejoran nuestra comprensión de ellas. Si aceptamos la relatividad especial, resulta que el electromagnetismo ya no necesita un “marco preferido de referencia” en el que trabajar. Más bien funciona correctamente con cualquier marco de referencia que se escoja – ninguno tiene preferencia sobre otro. y las velocidades a las que los diferentes marcos de referencia se mueven respecto a los otros son realmente relativas, lo opuesto a lo absoluto.

A las simples observaciones de Einstein les siguieron muchas más poderosas como la equivalencia entre masa y energía (expresada en la famosa fórmula E=mc2) y el hecho de que la información nunca puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Estas ideas y otras son confirmadas diariamente en aceleradores de partículas de todo el mundo, así como en otros experimentos.

Aunque quizás lo más importante que vino de la relatividad especial fue la idea de que el espacio y el tiempo no son sagrados e inmutables para el universo, sino cosas que pueden cambiar, de punto a punto y de persona a persona. Es este concepto lo que ha allanado el camino para la teoría general de la relatividad y su interpretación radical de la gravedad, cuyas ramificaciones aún sentimos hoy.

Enlace original : The Theory of Relativity

PREGUNTAS SOBRE LA TEORIA DE LA RELATIVIDAD

¿Porqué les interesan a los astrónomos las ondas gravitacionales?

Enlace original :  Ask an astronomerCornell Astronomy Department

Contestado por : Michael Lam

Cuando miras el cielo nocturno, tienes una visión muy particular del Universo. Ves radiación electromagnética, luz , en longitudes de onda de objetos como las estrellas. Si tus ojos pudieran ver ondas de radio, que están en otra longitud de onda de la luz, observarían una imagen muy diferente del Universo. Las fuentes de luz de radio son diferentes de las fuentes de luz óptica. Los astrónomos quieren construirdiferentes clases de telescopios para poder observar el espectro completo de la radiación electromagnética. Puedes tener una visión de la Vía Láctea en diferentes longitudes de onda de luz aquí (en esta página) y podrías darte cuenta de que la imagen que obtienes es muy diferente según el telescopio que utilices.

Durante casi toda la historia de la astronomía hemos visto al Universo a través de una ventana electromagnética. Durante muchas décadas los astrónomos han tenido interés por observar el Universo a través de una ventana totalmente separada: una gravitacional. A diferencia de las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales son cambios muy pequeños en el espaciotiempo que causan que los objetos se acerquen o alejen unos de otros en cantidades minúsculas. Fueron predichas por la Teoría de la Relatividad General de Einstein, y por eso su detección ofrece evidencias que apoyan la teoría. Las fuentes de ondas gravitacionales son muy raras, las más habituales dos objetos compactos como estrellas de neutrones o agujeros negros en órbita muy cercana . Conforme orbitan uno alrededor del otro se emiten ondas gravitacionales. Ya que la energía deja el sistema, las órbitas se encogen, hasta que los dos objetos finalmente se unen en un suceso violento. La observación de las ondas gravitacionales nos permitirá estudiar la dinámica de estos sistemas en escalas muy diferentes de tamaño.

El 11 de Febrero de 2016, el LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser) anunció la detección de ondas gravitacionales de un agujero negro binario. Esta es la primera detección confirmada de la historia de un sistema binario de agujeros negros. Ambos agujeros negros eran los dos agujeros negros de masa estelar más masivos conocidos jamás detectados (por encima de otros candidatos). Observaron que la masa de los objetos fundidos era menor que la suma de ellos, lo que implicaba que la diferencia en masa se había convertido en una enorme cantidad de energía que se perdió en forma de ondas gravitacionales (tanta como 5000 supernovas!). También midieron la rotación del agujero negro final, el ratio de agujeros negros fundiéndose en el Universo local, y más. Se obtuvo mucho conocimiento nuevo en física de un sólo suceso de onda gravitacional. Astrónomos como los de LIGO esperan localizar más de esos sucesos para que podamos comenzar a construir una visión gravitacional del Universo.


Michael Lam es un estudiante graduado en Cornell y miembro del Observatorio Norteamericano de Nanohercios de Ondas Gravitacionales (NANOGrav). Trabaja en mejorar la precisión del sincronizado de un conjunto de pulsars de milisegundos con el objetivo de detectar y estudiar ondas gravitacionales. Ha completado sus estudios de Ciencias Computacionales en Astrofísica en la Colgate University y es originario de Nueva York.