Relatividad: la vida misma !

Un mecanismo completamente desarmado, una radio descompuesta en varias partes que se tornan inútiles, horas enfocando concentrando con una lupa los rayos de sol para comprobar sus efectos sobre una hoja de papel, la creación de un vivero de cristales en una solución de ácido sulfúrico concentrado, o inflar un globo con oxígeno obtenido de la electrólisis del agua desmineralizada. Quizás no eran los pasatiempos preferidos por muchos de mis compañeros o amigos, pero en mi caso me mantuvieron bastante ocupado durante parte de mi niñez y adolescencia. La curiosidad por descubrir cosas nuevas o aquello que se escondía detrás de la fachada de la materia, eran rasgos muy fuertes de mi temprana personalidad. Será por ello que finalmente me incliné por estudiar una disciplina científica, pero no asociada la investigación pura, sino más bien a la aplicada.

Entre los científicos que ocupan un lugar destacado por sus aportaciones concretas, y que ocupan un sitial destacado casi como famosas estrellas de cine, se encuentra sin lugar a dudas Albert Einstein. En especial y debido a mi inclinación por los experimentos y sus resultados concretos, este afamado científico ocupó desde siempre un sitial de preferencia a la hora de mis lecturas y tiempo dedicado a entender sus postulados. Desde que tomé conocimiento de su obra, he tratado, a veces con éxito y más veces con un disimulado, pero rotundo fracaso, de lograr una comprensión medianamente acabada de sus teorías. Esto explica porque habiendo tenido inclinaciones parecidas de joven, mis esfuerzos por descubrir lo que esconde la materia, no hayan sido acompañadas por esa maravillosa intuición científica que poseía Albert, produciendo que, en mi caso, haya alcanzado límites mucho más humanos, tremendamente alejados de la brillantez del genio de Einstein.

Tanto a mí, como a otros millones de personas, nos queda el consuelo de que aún hoy, separados por más de cien años desde que sus principios fueron publicados, la ciencia aún está confirmando su validez con experimentos que comprueban lo que aquel científico despeinado predecía tanto tiempo atrás en el pasado. Otra singularidad puede ser que, en la época en los cuales sus leyes vieron la luz, el mundo científico no se rindió inmediatamente a sus pies, debido a que la simpleza con la que se escribieron sus postulados, contradecía lisa y llanamente al intrincado mundo de los hombres de ciencia, los cuales publicaban trabajos para que sólo lo comprendieron un reducido grupo de entendidos.

La teoría de la relatividad de Albert Einstein es famosa por su predicción de fenómenos bastante extraños pero reales, como el envejecimiento más lento de los astronautas respecto a las personas que vivimos en la Tierra y el cambio en la forma de los objetos a altas velocidades.

La verdad es que, si leemos una copia del artículo original de Einstein de 1905 sobre la relatividad, este artículo es de lectura bastante fácil. El texto es sencillo y claro y sus ecuaciones son, en su mayoría, álgebra: nada que presente un problema para un estudiante de cualquier instituto. Es más, Albert siempre necesitó de la colaboración de compañeros matemáticos para que lo ayudarán a expresar acabadamente sus ideas, ya que la matemática y cálculo diferencial no eran precisamente su fuerte.

Eso se debe a que el objetivo de Einstein nunca fue elaborar una estrafalaria teoría matemática. Le gustaba pensar de forma visual, creando experimentos en su mente e intentando solucionarlos en su cabeza hasta poder ver las ideas y los principios físicos con una claridad cristalina. Sus archivos llevaron incluso al FBI a investigar sus documentos.

Ahora, más de 100 años después de que el genio presentara su ecuación sobre la gravedad, el equipo de investigación del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR), en Alemania, ha probado nuevamente y de manera precisa que Einstein tenía razón.

“Estudiamos un sistema de estrellas compactas, un laboratorio inigualable para probar las teorías de la gravedad en presencia de campos gravitacionales muy fuertes. Para nuestro deleite, pudimos probar una piedra angular de la teoría de Einstein, la energía transportada por ondas gravitacionales», afirma el autor del estudio Michael Kramer.

Los investigadores explican que las observaciones no solo están de acuerdo con la teoría, también demostraron efectos que antes no se podían estudiar, como la llamada danza de los púlsares.  “Seguimos la propagación de fotones de radio emitidos por un faro cósmico, un púlsar, y rastreamos su movimiento en el fuerte campo gravitacional de un púlsar», explica Ingrid Stairs de la Universidad de British Columbia, en Vancouver (Canadá).

Con velocidades de aproximadamente un millón de kilómetros por hora, es su movimiento rotando entre sí lo que puede usarse «como un laboratorio de gravedad casi perfecto».

Investigadores de todo el mundo continúan con sus esfuerzos para encontrar desviaciones en la relatividad general, lo que abriría una ventana a la nueva física más allá de nuestra comprensión teórica actual del universo.

Sus descabelladas predicciones de la relatividad acerca del comportamiento de la materia, el espacio y el tiempo han probado ser correctas durante 100 años consecutivos.

Para entonces, el desprecio mal disimulado de Einstein por los métodos educativos rígidos y autoritarios de su Alemania natal ya le había supuesto la expulsión del equivalente actual de instituto, por ello mudó su casa a Zúrich con la esperanza de asistir a la Escuela Politécnica Federal (ETH). Sin embargo, Einstein decidió que primero asistiría durante un año a una escuela en Aarau, una ciudad cercana, para prepararse. La institución hacía hincapié en métodos vanguardistas como el pensamiento independiente y la visualización de conceptos. En ese entorno feliz, pronto empezó a preguntarse cómo sería correr junto a un rayo de luz.

Einstein ya había aprendido en la clase de física qué era un rayo de luz: una serie de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se mueven a 299 792 458 metros por segundo, la medida de la velocidad de la luz. Si corriera junto a un rayo de luz a esa velocidad, razonaba Einstein, podría ser capaz de observar una serie de campos magnéticos y eléctricos oscilantes justo a su lado, que en el espacio serían aparentemente estáticos.

Pero eso era imposible. Para empezar, dichos campos estáticos violarían las ecuaciones de Maxwell, las leyes matemáticas que codificaban todo aquello que conocían los físicos del momento sobre la electricidad, el magnetismo y la luz. Las leyes eran (y son) bastante estrictas: cualquier onda en los campos tiene que moverse a la velocidad de la luz y no puede permanecer estática, sin excepciones.

Y lo que es peor: los campos estáticos no encajarían con el principio de relatividad, una noción que los físicos han asumido desde los tiempos de Galileo y la era de Newton en el siglo XVII. Básicamente, la relatividad afirmaba que las leyes de la física no podían depender de la velocidad a la que te movieras; todo lo que podías medir era la velocidad de un objeto en relación a otro.

Pero cuando Einstein aplicó este principio en su experimento mental, originó una contradicción: la relatividad dictaba que cualquier cosa que pudiera ver mientras corriese junto a un rayo de luz, incluyendo los campos estáticos, también debería ser algo que los físicos de la Tierra pudiesen crear en el laboratorio. Pero nunca se había observado algo así.

Einstein dio vueltas a este problema durante otros 10 años, durante sus años de universitario en la ETH y tras mudarse a Berna, capital de Suiza, donde se convirtió en examinador en la oficina de patentes suiza. Allí fue donde consiguió resolver la paradoja de una vez por todas.

Medición de la luz desde un tren en movimiento

Einstein puso a prueba todas las soluciones en las que pudo pensar, pero nada funcionaba.Empujado por la desesperación, empezó a pensar en una noción simple pero radical. Las ecuaciones de Maxwell funcionan para todo, pensó, pero quizá la velocidad de la luz siempre haya sido constante.

En otras palabras, cuando ves pasar volando un rayo de luz, no importa si su fuente se mueve hacia ti, se aleja de ti o se desplaza hacia un lado, ni tampoco importaría la rapidez a la que se mueve dicha fuente. Siempre medirías la velocidad del rayo a 299 792 458 metros por segundo. Entre otras cosas, eso significaba que Einstein jamás podría ver campos estáticos oscilantes, porque nunca podría atrapar ese rayo de luz.

Esta era la única forma en la que Einstein podía reconciliar las ecuaciones de Maxwell con el principio de relatividad. Aun así, en un principio parecía que su solución tenía un gravísimo defecto. Einstein explicó posteriormente el problema mediante otro experimento mental: imagina disparar un rayo de luz a lo largo de una vía férrea mientras un tren circula en la misma dirección a unos 3200 metros por segundo.

Alguien que esté junto a las vías mediría la velocidad del rayo de luz mediante el número estándar: 299 792 458 metros por segundo. Si la velocidad de la luz no fuera constante, las ecuaciones de Maxwell tendrían que funcionar de forma diferente dentro del vagón de tren y se habría violado el principio de relatividad, concluyó Einstein.

Esta aparente contradicción dejó a Einstein devanándose los sesos durante casi un año. Más adelante, en una hermosa mañana de mayo de 1905, se dirigía al trabajo con su mejor amigo, Michele Besso, ingeniero al que conocía desde sus días como estudiante en Zúrich. Ambos estaban debatiendo el dilema de Einstein, algo que hacían con frecuencia. Y de repente, Einstein vio la solución. Trabajó toda la noche y cuando se volvieron a ver la mañana siguiente, Einstein le dijo a Besso: “Gracias. He resuelto completamente el problema”.

La revelación de Einstein consistía en que los observadores en movimiento relativo experimentan el tiempo de forma diferente: es perfectamente posible que dos acontecimientos tengan lugar de forma simultánea desde la perspectiva de un observador, pero que ocurran en momentos diferentes desde la perspectiva del otro. Y ambos observadores estarían en lo cierto.

Einstein ilustraría posteriormente este argumento mediante otro experimento mental. Imagina que de nuevo tienes un observador que está junto a las vías mientras pasa el tren. Pero este momento, un rayo alcanza el primer y último vagón justo cuando pasa frente a él el vagón central del tren. Debido a que ambos impactos ocurren a la misma distancia del observador, su luz llega al ojo al mismo tiempo. Así que este observador puede afirmar sin equivocarse que ambos han sucedido de manera simultánea.

Mientras tanto, el otro observador está sentado en el punto medio exacto de este tren. Desde su perspectiva, la luz de ambos impactos también tiene que viajar la misma distancia, y del mismo modo medirá la velocidad de la luz como igual en ambas direcciones. Pero debido al movimiento del tren, la luz que procede del rayo en el vagón de cola tiene que viajar más distancia hasta el observador, alcanzándolo unos instantes más tarde respecto a la luz procedente del primer vagón. Debido a que los pulsos de luz han llegado en momentos diferentes, dicho observador solo puede concluir que los impactos no han sido simultáneos y que el impacto frontal sucedió primero.

En resumen, Einstein se dio cuenta de que lo que es relativo es la simultaneidad. Una vez aceptas eso, todos los efectos extraños que asociamos a la relatividad son simplemente una cuestión de álgebra.

Einstein redactó rápidamente sus ideas en un estado de euforia extrema y envió su artículo para que fuera publicado pocas semanas después. Le otorgó un título (Sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento) que reflejaba su lucha por reconciliar las ecuaciones de Maxwell con el principio de la relatividad.  Como conclusión incluyó un agradecimiento a Besso (a quien agradezco por algunas sugerencias valiosas) lo que garantizó a su amigo ser recordado por la posteridad.

Masa y Energía

Sin embargo, este primer artículo no fue el último. Einstein siguió obsesionado con la relatividad durante todo el verano de 1905 y en septiembre envió un segundo artículo como una especie de idea adicional.

Estaba basado en otro experimento mental. Imagina un objeto en reposo, escribía. Ahora imagina que espontáneamente emite dos pulsos de luz idénticos en direcciones opuestas. Este objeto permanecerá quieto, pero debido a que cada pulso transporta cierta cantidad de energía, el contenido de energía del propio objeto disminuirá.

Ahora bien, decía Einstein, ¿cómo vería este proceso un observador en movimiento? Desde su perspectiva, el objeto simplemente seguiría moviéndose en línea recta mientras los dos pulsos echan a volar. Pero, aunque la velocidad de los pulsos sería la misma (la velocidad de la luz) sus energías serían diferentes: el pulso que se mueve hacia delante, en la dirección del movimiento, tendría una energía mayor que el que se mueve hacia detrás.

Mediante fórmulas algebraicas, Einstein demostró que para que todo esto fuera coherente, el objeto no solo tiene que perder energía cuando emite estos pulsos de luz, sino que también tendría que perder un poco de masa. O, en otras palabras, la masa y la energía son intercambiables.

Einstein escribió una ecuación en la que relacionaba ambos conceptos. Empleando la notación actual, que abrevia la velocidad de la luz mediante la letra c, creó la que probablemente sea la ecuación más famosa de la historia: E = mc2.

Relatividad General, fama y ocaso creativo

Aunque casi a regañadientes, el mundo académico acabó rindiéndose al genio de Einstein. Desde su puesto de profesor en Zúrich se planteó el reto de introducir la gravedad en el escenario relativista. En 1915 estaba muy cerca de alcanzar su objetivo cuando descubrió que el matemático David Hilbert se había propuesto completar la teoría antes que él. Estalló así uno de los períodos de mayor tensión mental de su vida.

Para no aburrir con tantos detalles técnicos, podemos decir que fue finalmente Einstein el que ganó la pulseada con unos pocos meses de antelación por sobre el matemático. Finalmente fue posible comprender el efecto que la gravedad tiene sobre el equilibrio del cosmos, y como la masa tiene la fuerza para desviar un rayo de luz de su trayectoria, todos efectos que surgen de su teoría de relatividad general y los campos de energía gravitatoria.

La tensión con Hilbert finalmente se subsanó cuando en una carta dirigida al matemático finalmente este le escribía:

“Se ha producido una cierta hostilidad entre nosotros, cuya causa no pretendo analizar. He luchado contra el sentimiento de amargura que ha despertado en mí y lo he vencido por completo. Vuelvo a pensar en ti con un afecto sobre el que no pesa sombra alguna y te ruego que hagas lo mismo conmigo”.

Una vez levantado el andamio de las ecuaciones relativistas, Einstein se aplicó a pintar su imagen personal del universo. La cosmología, una ciencia dominada hasta entonces por la especulación, dio con él un paso de gigante. La confirmación experimental, en 1919, de la desviación de la luz bajo la acción de la gravedad convirtió a Einstein en una celebridad de la noche a la mañana.

Luego sobrevendría la etapa en que mientras se apagaba su estrella creativa, se acrecentaba la dimensión pública de Einstein. Se convirtió en una figura patriarcal, crítica y respetada, pero de quien se emancipaban las nuevas generaciones de físicos. Inmune al desaliento, se lanzó en solitario a la conquista de una teoría no cuántica capaz de reconciliar electromagnetismo y gravitación. Jamás lo logró, lo mismo que todos los científicos que lo subsiguieron hasta la actualidad en alcanzar una teoría que explicara todos los principios físicos contenidos desde una átomo hasta la inmensidad del espacio, uniendo la gravitación, el electromagnetismo y la mecánica cuántica.

Al final de su vida, Einstein adquirió la dignidad de un santo laico. Tras dos conflictos mundiales, que legitimaron la guerra química y el pánico nuclear, la admiración por el progreso científico se había teñido de espanto. Para toda una generación desencantada, la figura del sabio distraído y de pelo alborotado, que abogaba por el desarme y predicaba la humildad intelectual frente a la naturaleza, suponía una última oportunidad de recuperar la fe en una ciencia humanista. En el apogeo de su popularidad, cuando se convirtió en una imagen icónica que sacaba la lengua a los fotógrafos, Einstein había cumplido setenta y dos años, edad a la que finalmente murió.

Los puntos oscuros de su biografía se centran en la relación con su primera mujer, Mileva Marié, y dos de sus hijos, Lieserl, que nació de manera semiclandestina antes del matrimonio y fue dada en adopción, y Eduard, frente a quien mantuvo una actitud ambivalente tras conocer que padecía una enfermedad mental. Para muchos queda el retrato de un ciudadano ejemplar, un pacifista que plantó cara a la Primera Guerra Mundial, al nazismo y al macartismo, con una vida personal no tan ejemplar.

Una vida relativamente común, ordinaria y con desapegos personales, para un genio de la relatividad, podría ser la mejor frase que encierra sus contradicciones existenciales.

En una entrevista concedida en 1949, se animó a vaticinar:

“Ignoro con qué clase de armas se combatirá en la Tercera Guerra Mundial, pero en la Cuarta serán palos y piedras.”

Para cerrar un pensamiento que define su no concepto de la autoridad, extraído de una carta a otro científico:

“Una fe insensata en la autoridad es el peor enemigo de la verdad.”