Teoría de la Relatividad - Otra mirada - 6º Parte

Repasando entonces lo dicho en las entradas anteriores hay que decir que Newton reflexionó sobre el hecho de que los cuerpos pesaban en la Tierra y que los astros giraban en torno a otros astros, y se imaginó que había una fuerza universal (que actuaba en todos lados) que hacía que los cuerpos se atrajeran entre sí. Esta fuerza se manifestaría tanto en la atracción de un cuerpo por la Tierra - su peso - como en la atracción entre cuerpos del Sistema Solar (y de todo el universo) que les hace girar unos en torno a los otros. La llamó "fuerza de gravitación universal" o "gravedad".

Según Newton, la gravedad sería una fuerza instantánea (es decir, cualquier cuerpo notaría inmediatamente si hay otro cuerpo, y sufriría su atracción) y actuaría a distancia, es decir, la intensidad de la fuerza dependería de algo (el otro cuerpo) que puede estar muy alejado, sin que haya contacto entre los cuerpos.

El culpable del "casi" en la teoría de Newton fue el planeta Mercurio, el más cercano al Sol. Cuando los astrónomos usaron la fórmula de Newton para calcular su órbita alrededor del Sol, y su posición aparente en el cielo, visto desde la Tierra, y compararon esos cálculos con las observaciones, encontraron que eran casi iguales, pero había una pequeña diferencia en la posición real de Mercurio, cada año parecía cambiar su posición. "Ese error en los cálculos es ciertamente pequeño, pero muy importante", dijeron los astrónomos. "Nuestras observaciones son mucho más precisas y no podemos aceptar esa diferencia como si fuera un error en nuestras medidas. Sin embargo, tenemos una explicación: hay que tener en cuenta que Mercurio no sólo es atraído por el Sol, sino también por los demás planetas - Venus y la Tierra, que están cerca, pero, sobre todo, Júpiter y Saturno, los planetas gigantes, y todos los demás -". Así que calcularon - usando siempre la teoría de Newton - la posición de Mercurio, teniendo ahora en cuenta todos los cuerpos del Sistema Solar, y efectivamente, encontraron que, el error anual en parte podía explicarse por la influencia gravitatoria de los otros planetas. Esto era casi perfecto ... pero aún no era exacto. La diferencia entre la posición calculada para Mercurio y la observada era ahora más pequeña, pero ahí estaba. Era un error pequeño pero inquietante: ¿ por qué no funcionaba exactamente la teoría de Newton con Mercurio, cuando sí parecía funcionar con todos los demás planetas.?

Fue Einstein quien propuso una teoría diferente a la de Newton y pudo por fin explicar la diferencia en la posición de Mercurio. Sin embargo, lo que llevó a Einstein a revisar la teoría de la gravitación de Newton fue un concepto (el de acción instantánea a distancia) y no la observación discrepante de Mercurio.

Para seguir la línea de razonamiento de Einstein, primero tenemos que recordar que su teoría de la relatividad especial parte de que nada puede propagarse más rápido que la luz. Y, segundo, si hacemos un "experimento mental", de los que tanto le gustaban a Einstein, e imaginamos la "desaparición instantánea del Sol". Sabemos que el Sol nos envía luz y que esta luz viaja a 300.000 km/s, así que tarda unos 8 minutos en recorrer los 150 millones de km que separan el Sol de la Tierra: la luz nos llega 8 minutos después de salir de nuestra estrella. Imaginemos ahora que el Sol desaparece de repente, que instantáneamente se volatiliza. Si así fuera, aún tendríamos 8 minutos de luz en la Tierra antes de que empezara la oscuridad. Ocho minutos no es mucho, pero es algo: aunque vemos su luz y su imagen en el cielo, el Sol ya no está ahí. Einstein ya sabía todo esto, no le preocupaba ese retraso de 8 minutos en la luz. Lo que le preocupó, y mucho, fue darse cuenta que, si el Sol ya no estaba ahí, entonces tampoco atraería a la Tierra (ni a los demás planetas). O sea, la Tierra ya no sufriría la atracción gravitatoria del Sol, ya no giraría en torno a él; se iría por la tangente de su órbita. Y lo importante es que esta salida de órbita de la Tierra, si es correcta la teoría de Newton de que la gravedad es instantánea, ocurriría inmediatamente, sin ningún retraso, ni de 8 minutos ni de nada. Esto chocaba frontalmente con la relatividad de Einstein: era un contrasentido. Una información - la luz - viajaría a 300.000 km/s, mientras que otra información - la gravitacional - viajaría con velocidad infinita, y ambas informaciones estarían originadas por el mismo fenómeno, la desaparición instantánea del Sol. O bien su teoría de la relatividad especial no era correcta o bien la teoría de Newton de fuerza instantánea no era correcta. He ahí su dilema. Einstein se puso a revisar su teoría y empezó replanteándose el concepto de observador inercial.

Se vio obligado a revisar la ley de la gravitación de Newton porque no quería abandonar su teoría de la relatividad. Asi que, dado que el problema era conceptual, empezó por replantearse otro concepto diferente (y no se preocupó por la discrepancia observacional en la posición de Mercurio). Ese concepto era el del llamado observador inercial, es decir, el del observador sobre el cual no actúa ninguna fuerza. Pero, pensó, ¿ puede existir realmente un observador sobre el cual no actúe ninguna fuerza ?. En el universo hay muchísimos astros (planetas, estrellas, galaxias, ...) y además la fuerza de la gravedad tiene radio de acción infinito, o sea, aunque la distancia se haga muy grande, siempre vale algo. La fuerza sólo se hace estrictamente cero cuando la distancia es infinita. Por tanto, la definición de observador inercial es irrealizable en la práctica. Pero lo malo para Einstein era que esto resultaba un serio problema tanto para la teoría de Newton como para la suya de la relatividad especial, donde los observadores inerciales son el punto de partida. El dilema se complicaba más aún, pero Einstein encontró una salida ingeniosa a estos problemas con su teoría de la relatividad general.

Einstein construyó su nueva teoría de la gravitación (a la que llamó teoría general de la relatividad) como una salida muy ingeniosa a los problemas conceptuales. La genial idea de Einstein fue suponer que la gravedad (que está por todos los lados y en todo momento en el universo) está íntimamente unida al espacio y al tiempo (que obviamente están también por todos lados del universo y en todo instante). Propuso que el nexo de unión era la geometría: lo que ocurre, dice Einstein, es que, en presencia de una masa, el espacio-tiempo se "deforma", de modo que cualquier otra masa nota ese espacio deformado, y se ve obligada a seguir trayectorias diferentes a cuando estaba el espacio sin deformar (sin ninguna masa).

¿ Qué significa la deformación del espacio ?, significa que el espacio adquiere una geometría diferente de la que estamos habituados (el llamado espacio plano o euclidiano) y la genialidad de Einstein la trataré de mostrar, mediante ejemplos, en la próxima y última entrada referida a la Relatividad.

Como siempre si quieres ahondar sobre este tema, puedes consultar en este sitio a donde he ido para armar esta entrada.

Dejo el siguiente vídeo que recorre desde la Teoría de Newton hasta la Teoría de Einstein.

Teoría de la Relatividad - Otra mirada - 5º Parte

Como dije, Einstein trataba de simplificarlo todo, él pensaba que cualquiera fuera el estado de movimiento de un cuerpo, siempre sería relativo.

Decía que tanto las leyes de la mecánica newtoniana, como la teoría especial de la relatividad, son válidas si las mismas se miden o se verifican dentro de sistemas especiales llamados galileanos, y no lo son en sistemas no galileanos. (sistema galileano es aquel en el que la longitud y el tiempo no son afectados por el cambio de velocidad)

Entonces se pregunta ¿ qué hace que un tipo de sistemas de coordenadas sean preferibles respecto a otros ?, esta paradoja o incongruencia la explica a partir de una comparación o imagen.

Dice: supongamos que no conociéramos lo que es el fuego, y nos encontramos en una cocina donde hay dos ollas exactamente iguales con agua hasta la mitad, de una sale vapor y de la otra no, nuestra lógica nos llevará a buscar la causa de esta diferencia aparentemente no razonable. Si viéramos que debajo de una de estas ollas hay una especie de luz azulada (una llama), aunque nunca hubiéramos tenido la experiencia del fuego, inmediatamente lo asociaríamos a la causa de la producción de vapor. Si esto no ocurriera, estaríamos sorprendidos y perplejos e intentando encontrar la causa de este comportamiento extraño.

En forma análoga él buscaba qué era ese algo en la mecánica clásica o en la relatividad especial, al cual atribuir la diferencia en la conducta de los cuerpos considerados respecto a los sistemas de referencia galileanos y no galileanos.

Imaginemos un observador en un compartimiento en el espacio intergaláctico donde no se ejerce sobre él ningún tipo de fuerza. Imaginemos ahora que este compartimiento sufre una aceleración (es decir cambia su velocidad de reposo absoluto a una velocidad determinada v) siendo la misma constante. En ese momento el observador suelta una moneda que tiene en su mano y verá que la misma cae hacia el piso del compartimiento con una aceleración constante igual a -a

Otro observador realiza el mismo experimento pero en un sistema de referencia inercial en presencia de un campo gravitatorio uniforme g, donde g = -a. Al dejar caer la moneda este observador verá el mismo efecto que en el caso anterior, es decir la moneda caer con una aceleración constante = -a.

¿ Cómo podrían ambos observadores diferenciar si están en un sistema no inercial o en uno inercial dentro de un campo gravitatorio ?. La respuesta es que no pueden, y es desde aquí que Einstein establece el postulado de la teoría general de la relatividad, diciendo que ningún experimento llevado a cabo localmente puede distinguir entre un sistema de referencia acelerado en forma constante y otro inercial (no acelerado) pero en presencia de un campo gravitatorio.

Este postulado es un enunciado del principio de equivalencia entre la masa inercial y la masa gravitatoria. Así como la teoría especial de la relatividad nos lleva a fundir conceptos que se consideraban separados e independientes como son el espacio y el tiempo, en un nuevo concepto espacio-tiempo cuatridimensional; la teoría general requiere otro cambio en la visión de dicho espacio-tiempo, por el cual la causa de la gravedad esta dada por la deformación provocada en la geometría del espacio-tiempo en presencia de grandes masas.

Es decir, en lugar de tener un espacio-tiempo plano, este se curva en la vecindad de una masa. La curvatura se produce en el espacio cuatridimensional, por lo que es imposible que sea visualizada o percibida sensiblemente por seres como nosotros que somos tridimensionales. La teoría general de la relatividad trata entonces a la gravitación o gravedad como una curvatura del espacio-tiempo en cuatro dimensiones. Es decir como un fenómeno geométrico.

Es necesario señalar que en el espacio-tiempo, tanto las distancias como los tiempos son variables, y es en ello donde se vuelve compleja la comprensión para seres tridimensionales, sin embargo, intentaré de un modo amigable esbozar una estrategia de acercamiento a su comprensión.

Te recuerdo que estas entradas sólo pretenden mostrarte, en una apretada síntesis, que hay otros saberes que dan cuenta de la realidad, pretendo mostrarte cosas que en lo cotidiano asumimos como incuestionables, porque siempre fue así, sin embargo podrían ser cuestionables, o tener otra explicación, ... Como siempre, si quieres ampliar y / o profundizar este tema, puedes visitar este sitio donde se desarrolla detalladamente.