La teoría de la relatividad general de Einstein: el universo como un todo

En 2015 se celebró el centenario de un evento fundamental en la física: la publicación de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein en 1915. Esta teoría, que complementa la teoría especial de la relatividad presentada por Einstein una década antes, transformó la comprensión del universo.

Veamos de qué se trata, en líneas generales, esta fantástica teoría.

Observaciones y deducciones

Casi todas las teorías de la física están fundamentadas en complejas ecuaciones algebraicas. Sin embargo, Einstein pensaba de manera visual. Las matemáticas le servían para respaldar los experimentos mentales que formulaba en su cabeza.

Einstein propuso varios experimentos mentales. Uno de los más decisivos sugería imaginar que un observador está junto a las vías mientras pasa un tren. En ese momento, un rayo de luz impacta simultáneamente el primer y el último vagón, cuando el vagón central está justo frente al observador.

Como ambos impactos ocurren a la misma distancia del observador, la luz de ambos llega a sus ojos al mismo tiempo. Por lo tanto, este observador afirmaría que los eventos ocurrieron simultáneamente.

Por contrapartida, otro observador que estuviera ubicado en el punto medio del tren tendría una experiencia diferente. Desde su perspectiva, la luz de ambos impactos tiene que viajar la misma distancia. Por lo tanto, mediría la velocidad de la luz como igual en ambas direcciones.

Sin embargo, debido al movimiento del tren, la luz procedente del impacto en el vagón de cola tiene que recorrer una mayor distancia para llegar a este observador. Por lo tanto, lo alcanzaría unos instantes después que la luz del impacto en el primer vagón. Así, este observador concluiría que los impactos no fueron simultáneos y que el impacto frontal ocurrió primero.

Un nuevo experimento mental

En un nuevo experimento mental, Einstein propuso imaginar un objeto en reposo que emite dos pulsos de luz idénticos, en direcciones opuestas. Aunque el objeto permanece quieto, cada pulso de luz transporta energía. Esto provoca una disminución en la energía total del objeto.

Desde la perspectiva de un observador en movimiento, el objeto se desplazaría en línea recta mientras los pulsos se alejan en direcciones opuestas.

A pesar de que la velocidad de ambos pulsos es la misma (la velocidad de la luz), sus energías serían distintas: el pulso que se mueve en la dirección del movimiento del objeto tendría una mayor energía comparado con el pulso que se aleja en la dirección opuesta.

Einstein concluyó que, al emitir luz, el objeto no solo pierde energía, sino también masa. Para expresar esta relación, desarrolló la famosa ecuación E = mc², donde E representa la energía, m es la masa y c es la velocidad de la luz. Esta ecuación muestra que la masa y la energía son dos formas de la misma entidad física y están directamente relacionadas.

Así mismo, Einstein descubrió que los objetos masivos, como la Tierra, deforman el espacio-tiempo. Un objeto en caída libre sigue la trayectoria más recta posible en este espacio-tiempo. Por lo tanto, aunque desde una perspectiva externa no parezca que sigue esa trayectoria, desde el punto de vista del objeto en caída libre, no experimenta ninguna fuerza.

Gravedad y agujeros negros

Según esta teoría, la gravedad no es una fuerza en el sentido tradicional, sino que es la curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía. Esta curvatura afecta el movimiento de los objetos en el espacio, dando lugar a la atracción gravitatoria entre ellos.

Una de las predicciones más sorprendentes de la relatividad general es la existencia de agujeros negros, regiones del espacio donde la curvatura es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitatoria. Los agujeros negros han sido observados indirectamente a través de su influencia en objetos cercanos, como estrellas o gases, y su estudio ha revelado información invaluable sobre las leyes de la física en condiciones extremas.

Otras predicciones

Otra predicción importante de la teoría de la relatividad general es la existencia de ondas gravitatorias, perturbaciones en el espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz. Estas ondas fueron detectadas por primera vez en 2015 por el experimento LIGO, confirmando una vez más la validez de la teoría de Einstein.

Además, la relatividad general también predice fenómenos como la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud, efectos que se han observado en experimentos de alta precisión y que tienen importantes implicaciones en campos como la navegación por satélite o la física de partículas.

Actualidad de la teoría

A pesar de su éxito, la relatividad general enfrenta algunos vacíos, especialmente en situaciones extremas como dentro de los agujeros negros. La teoría actual no puede explicar completamente los fenómenos que ocurren en estos entornos.

Un ejemplo de investigación en este campo proviene de estudios sobre el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. Los datos recolectados, incluyendo espectros de luz de una estrella llamada S0-2 que orbita este agujero negro, han confirmado las predicciones de la relatividad general.

Sin embargo, los científicos continúan buscando una teoría más completa que pueda abordar las cuestiones no resueltas, como la naturaleza exacta de los agujeros negros.

A medida que continuamos explorando los límites de la física, es probable que la relatividad general siga desempeñando un papel fundamental en nuestra comprensión del cosmos y del lugar que ocupamos en él.

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