Por Martín De Ambrosio

Los trabajos de Einstein han probado ser seguramente las ideas científicas más fructíferas del siglo XX. Aun hoy se busca comprobar empíricamente predicciones teóricas que se le ocurrieron a aquel físico que fue empleado de la oficina de patentes de Suiza, y que, años más tarde, solía salir en las fotos con el pelo como azotado por un huracán.
La teoría funcionó con gran exactitud y hasta ahora no ha fallado. Es verdad que algunas de las predicciones más extrañas, o altamente especulativas, como las teorías de las supercuerdas o los agujeros de gusano, siguen sin encontrar otro sustento que el complejo armazón teórico, pero dada la apariencia de infalibilidad de las teorías de la relatividad (la general y la especial) son hipótesis que siguen a la espera de alguien que las “vea” en experimentos. Otras, como la constancia de la velocidad de la luz, han encontrado su validación en todos los laboratorios de física del mundo.
Una de las formas en que suele describirse la teoría einsteiniana es calificándola de “anti-intuitiva”, en comparación sobre todo con la teoría y visión del mundo clásica, o newtoniana, que sería más próxima al “sentido común”, sea esto lo que sea. Y, aunque Einstein no descartó por completo el edificio teórico del gran inglés, un par de puntos diferentes llevaron a conclusiones radicalmente (con perdón de la palabra) distintas: la velocidad de la luz en el vacío es absoluta, y la imposibilidad de enviar información a una velocidad mayor que la de la luz, que así se transforma en una barrera infranqueable de la naturaleza.
Sin embargo, y para no contrariar a quienes definen a la ciencia como un conocimiento provisorio, acumulativo y progresivo, Einstein no logró cerrar su paquete y envolverlo para regalo, o –para usar una metáfora más divina– no alcanzó a dar con las leyes físicas con las que se divirtió algún dios cuando este universo estaba en período de construcción. Lo que Einstein no logró es una teoría unificada, que reúna en un todo armonioso la relatividad con la mecánica cuántica, y que hace más de 70 años que los físicos buscan con ahínco y aún sin resultados. Quien dé con ella (si es que ¿existe?) no sólo se hará acreedor de la fama terrenal y de numerosos premios: también habrá dado con la gramática divina.
Sobre estas cuestiones de física giró, como un electrón alrededor del núcleo atómico, la segunda charla del segundo año del ciclo de Café Científico –organizado por el Planetario de la Ciudad de Buenos Aires enla Casona del Teatro– que contó con las brillantes exposiciones de Diego Mazzitelli, profesor de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, y de Gastón Giribet, investigador del Instituto Argentino de Física del Espacio (IAFE) y la FCEyN. La próxima cita de café, el 21 de mayo, será sobre el Buenos Aires prehistórico y arqueológico.

La revolucion en tren
Diego Mazzitelli: A principios del siglo XX hubo una revolución en la física. Einstein cambió las nociones intuitivas que teníamos sobre el espacio y el tiempo. En el marco de la física newtoniana, la noción científica sobre el espacio y el tiempo era la “intuitiva”. Es decir, el espacio y el tiempo eran inmodificables y absolutos, eran el marco donde ocurrían todos los procesos naturales. Y era imposible saber, a partir de un experimento mecánico, si uno estaba moviéndose o no con respecto a ese espacio absoluto. ¿Cómo saber si me muevo o no en ese espacio? Bueno, pues, no hay manera de saberlo con las leyes de Newton. Y la primera señal de que algo estaba por ocurrir surgió hacia 1860 cuando Maxwell terminó de formular su teoría de los fenómenos eléctricos y magnéticos. de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Maxwell encontró que su teoría predecía la existencia de ondas electromagnéticas. Y predecía una velocidad muy particular para la luz: 300.000 Km por segundo en el vacío (como luego se comprobó). Una velocidad muy alta pero finita: la luz “tarda” en ir de un lado a otro. Pero ¿respecto de quién, o qué, la luz viaja a 300.000 km/s? Si yo mido la luz que sale ahora del proyector y la mide alguien que pasa por Corrientes en auto, tendría que dar velocidades distintas según la física clásica.
Entonces, teníamos una asimetría. Por un lado, las leyes de Newton no permitían el espacio absoluto; por otra parte, las leyes del electromagnetismo decían que había un sistema privilegiado: respecto de cualquier sistema de referencia, la luz se movería a 300.000 km/s. Una posibilidad de solución era decir: “bárbaro, ése el espacio absoluto de Newton”. Pero a Einstein no le gustaba mucho la idea de un espacio absoluto, y tampoco esa asimetría entre las leyes de la mecánica y las del electromagnetismo. Entonces postuló que no existe el espacio absoluto. Si yo estoy moviéndome respecto de otra persona con velocidad constante, cualquier experimento que haga va a tener los mismos resultados que los resultados en otro laboratorio que se esté moviendo con velocidad constante respecto del primero. En particular, Einstein postuló que la velocidad de la luz debe ser la misma para cualquier persona, sea cual fuese su estado de movimiento.
Retomando el ejemplo, la luz que sale del proyector está a la misma velocidad para mí que para la persona que pasa en colectivo por la avenida. Aunque no parezca, ese postulado –llamado “postulado de la constancia de la velocidad de la luz”– echa por tierra con las nociones clásicas del espacio y el tiempo. Cuando uno nota las consecuencias de este postulado –como hizo Einstein– llega a conclusiones sorprendentes. Como por ejemplo que dos sucesos que para nosotros –quietitos en este bar– son simultáneos, para alguien que mira esos dos mismos sucesos pero que se mueve respecto de nosotros, pueden no ser simultáneos. O sea que la simultaneidad depende del estado de movimiento, de quien observe. Lo mismo pasa con los intervalos temporales: para nosotros esta charla va a durar dos horas, pero para alguien que la mida desde otro lugar y en movimiento, va a medir una duración diferente.
Para ilustrar siempre están a mano los ejemplos del vagón del tren, que son famosos porque los propuso el mismo Einstein. Si estamos en un tren y prendemos una lamparita en la mitad de un vagón, vemos cómo la luz llega a las dos paredes al mismo tiempo. Esto pasa igualmente si el tren está quieto o si está en movimiento; estando arriba, con las ventanas cerradas,no tenemos modo de saber si el tren se mueve o no. Ahora ¿qué pasa si a este mismo experimento lo vemos desde fuera del tren? El tren se mueve y nosotros, los que medimos, estamos abajo: como la luz viaja a la misma velocidad hacia los dos lados y el tren está avanzando, la parte de atrás del tren se acerca a la luz y la parte de adelante se aleja, entonces ¡los eventos no son simultáneos! De abajo, decimos que la luz no llega simultáneamente a ambos extremos. Este es un ejemplo típico que muestra cómo llegar a conclusiones sorprendentes gracias a la constancia de la velocidad de la luz, y del genio de Einstein.

Einstein, Newton
y las preferencias de los fisicos
Mazzitelli (continúa): La pregunta es por qué creer esta teoría y no creerle a Newton, por qué los físicos estamos convencidos de que esta teoría sirve para describir a la naturaleza mejor que la física newtoniana. La respuesta es que la física es una ciencia experimental y hay que hacer experimentos para ver cuál es la correcta. Y resulta que la Teoría Especial de la Relatividad se comprueba en muchísimos experimentos con enorme precisión. Son experimentos como los de poner relojes en cohetes y observar cómo atrasan o adelantan respecto de relojes que se quedaron en la Tierra; esa pequeña diferencia que se observa está explicada en la Teoría Especial de la Relatividad. Otra consecuencia que Einstein obtuvo es la posibilidad de convertir masa en energía y viceversa, según la célebre formula E=m.c2 (la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado). Esta fórmula se comprueba experimentalmente en cualquier reacción nuclear y en los aceleradores de partículas, donde se convierte –ahora casi con desdén– energía en masa y viceversa.
(Al margen, puedo decirles que hice una cuenta, por si a alguien le interesa subirse a un avión para que el tiempo le pase más despacio. Suponiendo que uno esté 80 años arriba de un avión que viaja a 1000 Km por hora, sus relojes atrasarán una milésima de segundo. Digamos que no es negocio como método para que el tiempo pase más despacio.)
Bueno, en síntesis, no es que las leyes de Newton estuviesen definitivamente mal, sino que lo que hace Einstein es demostrar que esas leyes son válidas cuando las velocidades involucradas son mucho menores que la velocidad de la luz. Por eso, el ejemplo del tren es un ejemplo mental; para comprobarlo en la práctica el tren debería moverse a una velocidad comparable a la de la luz, cosa que por lo menos no pasa con la línea Mitre que es la que yo tomo. Entonces, vamos así del espacio de Newton al espacio de la Relatividad Especial en el cual los intervalos temporales y las longitudes pasan a depender del observador. Pero Einstein incluso fue más allá. Quiso incorporar la fuerza de gravedad y se encontró con un problema, porque según la teoría de la relatividad –y es uno de los aspectos más importantes– la velocidad de la luz, además de ser la misma para todos los observadores, es una velocidad límite: no se puede enviar información a una velocidad superior a la de la luz. Y esto es contrario a la ley de gravitación de Newton que podía explicar muchos fenómenos físicos, como la trayectoria de los planetas, a partir de una ley (“dos masas se atraen por una fuerza que es proporcional a la inversa del cuadrado de la distancia”) en la que la gravedad se propaga de manera instantánea. Ese “instantáneamente” no existe en la teoría de Einstein; no hay manera de que si le ocurre algo al sol nosotros nos enteremos instantáneamente; vamos a tardar en saberlo al menos el tiempo que tarda la luz en recorrer esos 150 millones de kilómetros (unos 8 minutos). Como esa instantaneidad no era posible, Einstein se quedó pensando cómo incorporar la fuerza de gravedad a esa teoría y como resultado produjo la segunda revolución en 1915. Es la Teoría General de la Relatividad, queincluye los efectos gravitatorios. De esta teoría también se concluye que cualquier masa o cualquier forma de energía modifican el espacio y el tiempo a su alrededor. Entonces, no sólo no es absoluto el espacio y el tiempo sino que también se puede modificar. De nuevo, esta teoría ha sido comprobada experimentalmente. Por ejemplo, pequeñas desviaciones en los planetas (como Mercurio que es el que está más cerca del Sol y por ende más afectado por su gravitación) que no se explicaban con las leyes de Newton y sí con las de Einstein.
Otra de las predicciones muy importantes de la teoría de Einstein son las ondas gravitacionales –análogas a las electromagnéticas–: “modificaciones en el espacio y en el tiempo que viajan a la velocidad de la luz”. Hay un aparato en Estados Unidos que está buscando la comprobación de esta predicción teórica. Es un detector de ondas gravitacionales, que consta de dos brazos de 4 Km de longitud, y con un rayo láser que va de una punta a la otra. La idea es que si pasa una onda gravitacional, el láser se va a modificar y esa modificación puede medirse. Así se espera detectar la onda gravitacional, en los próximos años.

El tiempo cerca de un agujero negro
Gastón Giribet: Tal vez la idea más novedosa de esta teoría sea que el espacio y el tiempo forman un entramado, un ente único, que es relativo y modificable. Esto trajo una gran renovación conceptual en la física. Como dijo Diego Mazzitelli, los conceptos de intervalo, tiempo y distancia, cobran relevancia “si y sólo si” están en referencia a un observador particular. Ahora bien, con la Teoría de la Relatividad General, de 1915, el espacio también se hace modificable, según la materia y energía que haya en él; se puede curvar. La estructura del espacio y del tiempo dependen de la presencia de materia en él. Así se establece una suerte de “conversación” entre la materia y el escenario donde los fenómenos se representan. Las trayectorias de los planetas, por ejemplo, alrededor del sol (que deforma el espacio tiempo) se ven afectadas por esa curvatura.
La curvatura del espacio tiempo producida por la masa del sol es una relectura de la interpretación de la gravedad: no es una fuerza de un cuerpo sobre otro sino el efecto de un cuerpo masivo que deforma el espacio. Y por eso Diego Mazzitelli se refería a la trayectoria más simple que puede realizar un planeta alrededor del sol, cuando lo orbita. Esto es matemáticamente verificable, y con razones análogas a las que indican que la recta es la trayectoria más simple en un plano. Entonces, tenemos una distorsión del espacio por la presencia de materia.
Veamos qué pasa cuando la deformación es muy grande, como en el caso de los agujeros negros (a estos efectos, podríamos pensarlos como estrellas ultra super densas), que pueden rastrearse hasta en los trabajos de 1916 de Karl Schwarzschild, físico austríaco que –en los ratos de ocio que le dejaban las balas del frente de la Primera Guerra Mundial y sólo un año después de la publicación de la relatividad general– calculó cuál sería el campo gravitatorio de un objeto esférico y notó que para objetos muy densos el campo era tal que ni siquiera la luz podía escapar de él. Si toda la masa del sol estuviera concentrada en muy pocos kilómetros, 2 o 3, ni siquiera la luz podría escapar. Además, por si fuera poco, el tiempo pasa más lento en las cercanías de estos objetos densos. Y tengan en cuenta que el tiempo siempre pasa más lento en las cercanías de cualquier objeto (más lentamente en la superficie de la Tierra que en la estación espacial, sin ir más lejos), pero si es muy denso, la diferencia es notable. Entonces, duración y curso del tiempo se vuelven relativos, no ya por el movimiento relativo entre un observador y otro (que sigue valiendo) sino que ahora también depende de cuán cerca estoy de la fuente que genera el campo gravitatorio. Un ejemplo casero: si tenemos un reloj en el piso de nuestro cuarto y otro en el techo, es decir, con tres metros de diferencia, en un año habrá una diferencia entre ambos de 100 millonésimas de segundo porque en el piso el campo gravitatorio de la Tierra es más intenso que en el techo. Es tan poca, a escala humana, la diferencia que para que se entienda tenemos que recurrir a los agujeros negros, pero quiero dejar claro que vale para toda masa. El tiempo transcurre más lentamente cuando el campo gravitatorio es más intenso, es decir, cerca de grandes masas.