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El impacto de la Teoría de la Relatividad







Avance de Albert Einstein de hace un siglo era de este mundo.







"Estoy agotado. Pero el éxito es glorioso"


Fue hace cien años este mes de noviembre, y Albert Einstein estaba disfrutando de un raro momento de alegría. Días antes, el 25 de noviembre de 1915, que había llevado a la etapa en la Academia Prusiana de Ciencias de Berlín y declaró que él había terminado por fin su agonía, la expedición de una década a una nueva y más profunda comprensión de la gravedad. La teoría general de la relatividad, Einstein afirmó, ahora estaba completa.

El mes previo al anuncio histórico había sido el período más intelectualmente intensa y ansiosa de su vida. Culminó con radicalmente nueva visión de la interacción de espacio, tiempo, materia, energía y la gravedad, una hazaña ampliamente venerado como uno de los mayores logros intelectuales de la humanidad de Einstein.





En el momento, zumbido de la relatividad general, sólo se escuchó por un círculo de pensadores en las afueras de la física esotérica. Pero en el siglo desde entonces, una idea original de Einstein se ha convertido en el nexo para una amplia gama de cuestiones fundamentales, entre ellos el origen del universo, la estructura de los agujeros negros y la unificación de las fuerzas de la naturaleza, y la teoría también se ha aprovechado para tareas más aplicados tales como la búsqueda de planetas extrasolares, la determinación de la masa de las galaxias distantes e incluso guiar las trayectorias de los conductores de automóviles díscolos y misiles balísticos. La relatividad general, una vez que una descripción exótica de la gravedad, es ahora una poderosa herramienta de investigación.





La búsqueda de comprender la gravedad comenzó mucho antes de Einstein. Durante la peste que asoló Europa desde 1665 hasta 1666, Isaac Newton se retiró de su puesto en la Universidad de Cambridge, tomó refugio en la casa de su familia en Lincolnshire, y en sus horas de ocio se dio cuenta de que todo objeto, ya sea en la Tierra o en el cielo , tira de todos los demás con una fuerza que depende únicamente de lo grande que los objetos son su masa y lo lejos que están en el espacio-su distancia. Niños de la escuela de todo el mundo han aprendido la versión matemática de la ley de Newton, que ha hecho estas predicciones espectacularmente precisos para el movimiento de todo, desde las rocas lanzadas a órbita alrededor de planetas que parecía Newton había escrito la última palabra sobre la gravedad. Pero no lo había hecho. Y Einstein fue el primero en llegar a ser seguro de esto.





En 1905 Einstein descubrió la teoría especial de la relatividad, se crea la famosa frase de que nada-no objeto o señal puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Y ahí radica el problema. De acuerdo con la ley de Newton, si se agita el Sol como una maraca cósmica, la gravedad hará que la Tierra sacudir inmediatamente también. Es decir, la fórmula de Newton implica que la gravedad ejerce su influencia de un lugar a otro instantáneamente. Eso no sólo es más rápido que la luz, que es infinita.





Einstein no quiso saber nada de ella. Una descripción más precisa de la gravedad seguramente debe existir, uno en el que las influencias gravitacionales no más aprisa que la luz. Einstein dedicó a encontrarlo. Y, para ello, se dio cuenta, que tendría que responder a una pregunta aparentemente básica: ¿Cómo funciona la gravedad? ¿Cómo funciona el Sol alcanza hacia fuera a través de 93 millones de millas y ejercen una atracción gravitatoria sobre la Tierra? Para los tirones más familiares de la experiencia cotidiana de apertura de una puerta, descorchar una botella de vino, el mecanismo se manifiesta: Hay contacto directo entre la mano y el objeto de experimentar el tirón. Pero cuando el Sol tira de la Tierra, que la atracción se ejerce a través del espacio-espacio vacío. No hay contacto directo. Entonces, ¿qué mano invisible está en el trabajo ejecutando las órdenes de la gravedad?





El propio Newton encontraron esta cuestión profundamente desconcertante, y ofreció que su propio fracaso para identificar cómo la gravedad ejerce su influencia hizo que su teoría, sin embargo el éxito de sus predicciones, fue sin duda incompleta. Sin embargo, durante más de 200 años, la admisión de Newton no era más que una nota al pie se pasa por alto a una teoría que se acuerde lo contrario en el clavo con las observaciones.





En 1907 Einstein comenzó a trabajar en serio en responder a esta pregunta; en 1912, se había convertido en su obsesión de tiempo completo. Y dentro de ese puñado de años, Einstein dio con un avance conceptual clave, tan fácil de declarar, ya que es difícil de entender: Si no hay nada más que espacio vacío entre el Sol y la Tierra, entonces su atracción gravitacional mutua debe ser ejercida por el espacio en sí. ¿Pero cómo?





La respuesta de Einstein, a la vez hermoso y misterioso, es que la materia, como el Sol y la Tierra, hace que el espacio a su alrededor a la curva y la forma deformada resultante del espacio influye en el movimiento de otros cuerpos que pasan.





He aquí una manera de pensar en ello. Imagen de la trayectoria recta seguida de una canica que ha rodado en un piso de madera plana. Ahora imagine a rodar la canica en un piso de madera que se ha deformado y retorcido por una inundación. El mármol no seguirá la misma trayectoria recta, ya que se dio un codazo a un lado ya otro de contornos curvos de la planta. Así como con el suelo, por lo que con el espacio. Einstein imaginó que los contornos curvos de espacio sería empujar una pelota de béisbol bateada a seguir su trayectoria parabólica familiar y convencer a la Tierra a que se adhieran a su órbita elíptica de costumbre.





Fue un salto impresionante. Hasta entonces, el espacio era un concepto abstracto, una especie de contenedor cósmica, no una entidad tangible que podría efectuar el cambio. De hecho, el salto era mayor aún. Einstein se dio cuenta de que el tiempo podría deformar, también. Intuitivamente, todos nos imaginamos que los relojes, sin importar dónde se encuentren, motiva a la misma velocidad. Pero Einstein propuso que los relojes más cercanas están a un cuerpo masivo, como la Tierra, más lenta que se marque, lo que refleja una influencia sorprendente de la gravedad sobre el paso del tiempo. Y mucho como urdimbre espacial puede empujar a la trayectoria de un objeto, así también por un temporal una: matemáticas de Einstein sugirió que los objetos se dibujan hacia lugares donde el tiempo transcurre más lentamente.





Aún así, la refundición radical de Einstein de la gravedad en términos de la forma del espacio y el tiempo no era suficiente para él para reclamar la victoria. Necesitaba desarrollar las ideas en un marco matemático predictivo que describir con precisión la coreografía bailada por el espacio, el tiempo y la materia. Incluso en el caso de Albert Einstein, que resultó ser un reto monumental. En 1912, luchando a la moda de las ecuaciones, escribió a un colega que "Nunca antes en mi vida había atormentado a mí mismo algo como esto". Sin embargo, sólo un año después, mientras trabajaba en Zúrich con su colega más matemáticamente sintonía Marcel Grossmann, Einstein llegó tentadoramente cerca de la respuesta. Aprovechando los resultados de mediados de 1800 que proporcionaron el lenguaje geométrico para describir formas curvas, Einstein creó una novela completamente todavía totalmente rigurosa reformulación de la gravedad en términos de la geometría del espacio y el tiempo.





Pero entonces todo parecía derrumbarse. Mientras investiga sus nuevas ecuaciones de Einstein cometió un error técnico fatídica, que lo llevó a pensar que su propuesta no describa correctamente todo tipo de movimiento común. Durante dos largos años frustrantes Einstein trató desesperadamente de arreglar el problema, pero nada funcionó.





Einstein, tenaz como vienen, permaneció sin inmutarse, y en el otoño de 1915 por fin vio el camino a seguir. Para entonces era profesor en Berlín y había sido incluido en la Academia Prusiana de Ciencias. Aun así, tuvo tiempo en sus manos. Su ex esposa, Mileva Maric, finalmente aceptó que su vida con Einstein había terminado y se había mudado de vuelta a Zurich con sus dos hijos. Aunque las relaciones familiares cada vez más tensas pesaron fuertemente de Einstein, la disposición también se le permitió seguir libremente sus corazonadas matemáticos, tranquilo día y noche, en la tranquila soledad de su apartamento de Berlín estéril.





En noviembre, esta libertad dio sus frutos. Einstein corrigió su error anterior y emprendió la subida final hacia la teoría general de la relatividad. Pero mientras trabajaba intensamente en los pequeños detalles matemáticos, las condiciones se volvieron inesperadamente traicionero. Unos meses antes, Einstein se había reunido con el famoso matemático alemán David Hilbert, y había compartido toda su pensamiento acerca de su nueva teoría de la gravedad. Al parecer, Einstein aprendió a su pesar, la reunión había tan avivado el interés de Hilbert que ahora estaba corriendo Einstein a la línea de meta.





Una serie de postales y cartas los dos intercambiaron durante todo noviembre 1915 documenta una rivalidad cordial pero intenso, ya que cada cerró en en las ecuaciones de la relatividad general. Hilbert consideró juego justo para perseguir una abertura en una prometedora pero todavía sin terminar teoría de la gravedad; Einstein consideraba atrozmente mala forma de Hilbert a entrometerse en su expedición en solitario tan cerca de la cumbre. Por otra parte, Einstein se dio cuenta de ansiedad, las reservas matemáticas profundas de Hilbert presentan una seria amenaza. Sus años de trabajo duro no obstante, Einstein pudieron conseguir recogió.





La preocupación estaba bien fundada. El sábado, 13 de noviembre de Einstein recibió una invitación de Hilbert a unirse a él en Göttingen el martes siguiente a aprender en "detalle muy completo" la "solución a su gran problema." Einstein puso reparos. "Debo abstenerse de viajar a Göttingen para el momento y lugar deben esperar pacientemente hasta que pueda estudiar su sistema desde el artículo impreso; porque estoy cansado y plagada de dolores de estómago, además de ".





Pero ese jueves, cuando Einstein abrió su correo, fue confrontado por el manuscrito de Hilbert. Einstein escribió inmediatamente de nuevo, apenas disimular su irritación: ". El sistema le proporcione de acuerdo-por lo que yo puedo ver, exactamente con lo que he encontrado en las últimas semanas y han presentado a la Academia" Para su amigo Heinrich Zangger, Einstein confió "En mi experiencia personal no he aprendido nada mejor la miseria de la especie humana como en la ocasión de esta teoría ...."





Una semana después, el 25 de noviembre, dando una conferencia a un público silencioso en la Academia Prusiana, Einstein dio a conocer las ecuaciones finales que constituyen la teoría general de la relatividad.





Nadie sabe lo que pasó durante la semana final. ¿Acaso Einstein llegar a las ecuaciones finales sobre su propia o dejó de papel de Hilbert proporcionar asistencia espontáneamente? Hizo proyecto de Hilbert contiene la forma correcta de las ecuaciones, o dejó posteriormente Hilbert insertar esas ecuaciones, inspirados en la obra de Einstein, en la versión del documento que Hilbert publicó meses más tarde? La intriga sólo profundiza cuando nos enteramos de que una sección clave de las pruebas de página para el papel de Hilbert, que podría haber resuelto las cuestiones, estaba literalmente cortó distancia.





Al final, Hilbert hizo lo correcto. Reconoció que todo lo que su papel en la catálisis de las ecuaciones finales podría haber sido, la teoría general de la relatividad debe con razón se le atribuye a Einstein. Y así lo ha hecho. Hilbert ha conseguido que le corresponde también, como una manera técnica, sino particularmente útil de expresar las ecuaciones de la relatividad general lleva los nombres de los dos hombres. Por supuesto, el crédito sólo sería digno de tener si la teoría general de la relatividad fueron confirmados a través de observaciones. Sorprendentemente, Einstein pudo ver cómo podría hacerse.





La relatividad general predice que los haces de luz emitidos por estrellas lejanas viajarían a lo largo de trayectorias curvas al pasar a través de la región deformada cerca del Sol en el camino a la Tierra. Einstein utilizó las nuevas ecuaciones para hacer de este, él precisa calculado la forma matemática de estas trayectorias curvas. Pero para probar los astrónomos predicción tendría que ver estrellas distantes, mientras que el Sol está en el primer plano, y eso es posible sólo cuando la Luna bloquea la luz del Sol, durante un eclipse solar.





El próximo eclipse solar, de 29 de mayo de 1919, por lo tanto sería Proving Ground de la relatividad general. Los equipos de astrónomos británicos, dirigidos por Sir Arthur Eddington, se instalaron en dos lugares que experimentar un eclipse total de Sol en Sobral, Brasil, y el Príncipe, frente a la costa occidental de África. Luchando contra los desafíos del tiempo, cada equipo tuvo una serie de placas fotográficas de estrellas distantes momentáneamente visibles como la Luna flotó a través del Sol. Durante los meses posteriores de un cuidadoso análisis de las imágenes, Einstein esperó pacientemente a que los resultados. Por último, el 22 de septiembre de 1919, Einstein recibió un telegrama anunciando que las observaciones de eclipses habían confirmado su predicción.





Periódicos de todo el mundo recogieron la noticia, con titulares jadeantes proclamar el triunfo de Einstein y le catapultó noche a la mañana en una sensación en todo el mundo. En medio de toda la emoción, un joven estudiante, Ilse Rosenthal-Schneider, le preguntó a Einstein lo que habría pensado si las observaciones no estaban de acuerdo con la predicción de la relatividad general. Einstein famosamente respondió con valentía encantadora, "habría sido lo siento por el Amado Señor, porque la teoría es correcta."





De hecho, en las décadas desde las mediciones de eclipse, ha habido un gran número otras observaciones y experimentos -algunas en curso, que han dado lugar a la confianza sólida en la relatividad general. Uno de los más impresionantes es una prueba observacional que se extendió por casi 50 años, entre los proyectos de mayor duración de la NASA. La relatividad general afirma que a medida que un cuerpo como la Tierra gira sobre su eje, debe arrastrar el espacio alrededor de un remolino de algo así como un guijarro de hilado en un cubo de la melaza. A principios de 1960, los físicos de Stanford establecen un esquema para poner a prueba la predicción: Lanzamiento cuatro giroscopios ultra-precisos en órbita cercana a la Tierra y buscar pequeños cambios en la orientación de los ejes de los giroscopios de que, según la teoría, debería ser causados por el espacio de remolino.





Tomó una generación de esfuerzo científico para desarrollar la tecnología giroscópica necesario y luego de años de análisis de datos, entre otras cosas, superar un desafortunado wobble los giroscopios adquiridos en el espacio. Pero en 2011, el equipo detrás de la sonda Gravity Probe B, como se conoce el proyecto, anunció que el medio siglo de largo experimento había llegado a una conclusión exitosa: ejes Los giroscopios 'daban vuelta por la cantidad de matemáticas de Einstein predijo.





Hay un experimento restante, en la actualidad más de 20 años en la fabricación, que muchos consideran la prueba final de la teoría general de la relatividad. Según la teoría, colisión de dos objetos, ya sean estrellas o agujeros negros, crearán las ondas en el tejido del espacio, tanto como dos barcos que chocan en un lago tranquilo de lo contrario va a crear olas de agua. Y como tales ondas gravitacionales ondulación hacia el exterior, el espacio se expanda y se contraiga a su paso, algo así como una bola de masa siendo alternativamente estirado y comprimido.





A principios de 1990, un equipo dirigido por científicos del MIT y Caltech inició un programa de investigación para detectar las ondas gravitacionales. El reto, y es un grande, es que si un encuentro astrofísico tumultuosa ocurre muy lejos, a continuación, en el momento en las ondulaciones espaciales resultantes se lavan por la Tierra se han extendido tan ampliamente que se diluirán fantásticamente, quizá estirando y comprimiendo espacio sólo una fracción de un núcleo atómico.





Sin embargo, los investigadores han desarrollado una tecnología que sólo podría ser capaz de ver los pequeños signos reveladores de una onda en el tejido del espacio a medida que rueda por la Tierra. En 2001, dos dispositivos en forma de L de cuatro kilómetros de largo, conocidos colectivamente como LIGO (Laser Interferómetro Gravitacional-Wave Observatory), fueron desplegados en Livingston, Louisiana, y Hanford, Washington. La estrategia es que una onda gravitacional pasa alternativamente podría estirar y comprimir los dos brazos de cada L, dejando una huella en las carreras de luz láser hacia arriba y abajo de cada brazo.





En 2010, LIGO fue dado de baja, antes se habían detectado -la las firmas de ondas gravitacionales aparato casi seguro que carecía de la sensibilidad necesaria para registrar las pequeñas contracciones causadas por una onda gravitacional llega a la Tierra. Pero ahora una versión avanzada del LIGO, una mejora espera que sea diez veces más sensibles, se está aplicando, y los investigadores anticipan que en pocos años la detección de ondas en el espacio causados ​​por cataclismos cósmicos distantes será un lugar común.





El éxito sería interesante no porque alguien realmente duda de la relatividad general, pero debido a los vínculos confirmados entre la teoría y la observación puede producir nuevas y potentes aplicaciones. Las mediciones de eclipse de 1,919, por ejemplo, que establece que la gravedad curva la trayectoria de la luz, han inspirado una técnica exitosa que ahora se utiliza para la búsqueda de planetas distantes. Cuando tales planetas pasan frente a sus estrellas, se centran ligeramente luz de la estrella que causa un patrón de brillo y oscurecimiento que los astrónomos pueden detectar. Una técnica similar también ha permitido a los astrónomos medir la masa de las galaxias particulares mediante la observación de la severidad de su desnaturalización, la trayectoria de la luz emitida por las fuentes aún más distantes. Otro ejemplo más conocido es el sistema de posicionamiento global, el cual se basa en el descubrimiento de Einstein de que la gravedad afecta el paso del tiempo. Satélites GPS que orbitan alrededor de la Tierra determinan la posición de un receptor midiendo el tiempo de viaje de ida y vuelta de las señales de rebote entre los dos. Sin tomar en cuenta el impacto de la gravedad sobre cómo el tiempo transcurre en los satélites, el sistema GPS fallaría para determinar correctamente la ubicación de un objeto, incluyendo su coche o un misil guiado.





Los físicos creen que la detección de ondas gravitacionales tiene la capacidad de generar su propia aplicación de profunda importancia: un nuevo enfoque a la astronomía
observacional. Desde los tiempos de Galileo, hemos convertido telescopios hacia el cielo para recoger las ondas de luz emitidos por los objetos distantes. La siguiente fase de la astronomía puede muy bien centrarse en la recopilación de las ondas gravitacionales producidas por trastornos cósmicos lejanos, permitiéndonos explorar el universo en una forma totalmente nueva. Esto es particularmente emocionante porque las ondas de luz no podían penetrar en el plasma que llena el espacio hasta unos pocos cientos de mil años después del Big Bang-pero las ondas de gravedad podía. Un día lo tanto podemos usar la gravedad, no la luz, como nuestro sonda más penetrante de los primeros momentos del universo.





Debido a que las ondas de ondulación gravedad a través del espacio en forma de ondas un poco de ondulación del sonido a través del aire, los científicos hablan de "escuchar" para señales gravitacionales. La adopción de esa metáfora, lo maravilloso imaginar que el segundo centenario de la relatividad general puede ser causa de los físicos para celebrar haber finalmente oído los sonidos de la creación.








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