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Actualidad científica

  • 22/09/2017 - GENÉTICA

    Origen evolutivo del plegamiento del ADN

    El modo en que el ADN de las arqueas se compacta tiene muchos puntos en común con el de los eucariotas.

  • 21/09/2017 - Evolución humana

    ¿Cuántos neandertales había?

    La arqueología y la genética han dado respuestas muy diferentes a esa pregunta. Un nuevo estudio las reconcilia y descubre la historia de aquella antigua gente, en la que rozaron alguna vez, mucho antes de la definitiva, la extinción.

  • 20/09/2017 - BIOLOGÍA REPRODUCTIVA

    Macrófagos testiculares, guardianes de la fertilidad masculina

    Responsables de eliminar los patógenos de nuestro organismo, estas células moderan también la respuesta inmunitaria para evitar la destrucción de los espermatozoides.

  • 19/09/2017 - Zoología

    ¿Ha extinguido Irma especies?

    Junto  a las pérdidas humanas y económicas, el huracán Irma ha tenido también graves consecuencias para la naturaleza.

  • 18/09/2017 - Materiales cuánticos

    Calor topológico

    Un trabajo analiza por primera vez el comportamiento de los aislantes topológicos en presencia de focos térmicos. Sorprendentemente, la aparición de un flujo de calor no parece arruinar la robustez de estos materiales.

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  • Investigación y Ciencia
  • Octubre 2014Nº 457
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Relatividad

Una introducción profunda y pedagógica.

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WHAT IS RELATIVITY? AN INTUITIVE INTRODUCTION TO EINSTEIN’S IDEAS, AND WHY THEY MATTER
Por Jeffrey Bennett. Columbia University Press; Nueva York, 2014.

Sobre dos pilares básicos, que en el universo tienen carácter absoluto, se asienta la teoría de la relatividad: primero, las leyes de la naturaleza son las mismas para todos; segundo, la velocidad de la luz es la misma para todos. La relatividad es importante para entender la instalación del hombre en el esquema general del universo. Para que las ideas de Einstein ejerzan su efecto, hemos de situarnos en velocidades cercanas a la de la luz y en la gravedad extrema que existe en la vecindad de los agujeros negros. ¿Dónde hay uno? ¿Dónde buscarlo? Tarea difícil, pues resulta invisible en el espacio.

Por definición, del agujero negro no puede escapar luz. Mas, por lo que sabemos, los agujeros negros poseen masa notable, como mínimo la de muchos soles juntos. Por consiguiente, podremos en principio detectarlos si atendemos a la influencia gravitatoria sobre sus alrededores.

La influencia gravitatoria de un agujero negro puede revelar su presencia de dos maneras. Podemos descubrirla al contemplar sus efectos sobre la órbita de compañeros que sí observamos, y que no brillan como lo harían si fueran una estrella: debe haber algo allí que dé cuenta de la órbita del objeto visible y cabe la posibilidad de que se trate de un agujero negro. Por otro lado, podemos inferir la presencia de un agujero negro a través de la luz emitida por el gas envolvente. El espacio sideral no está enteramente vacío, y siempre encontraremos átomos dispersos incluso en las profundidades del espacio interestelar; de hecho, las nebulosas son nubes inmensas de gas. Cualquier gas que se halle en la vecindad de un agujero negro terminará por orbitar en torno al mismo. Puesto que esa estructura es a un tiempo de tamaño muy pequeño y masa muy grande, el gas de su vecindad girará a velocidades muy altas. El gas que se mueve a velocidad elevada tiende a alcanzar una temperatura muy alta; los gases de alta temperatura emiten luz de alta energía (ultravioleta y rayos X). Si observamos emisión de rayos X procedentes de la región en torno a un objeto compacto, cabe inferir que nos hallemos ante un agujero negro.

Supongamos que hay un agujero negro a 25 años luz de la Tierra. (Un año luz es la distancia que la luz puede recorrer en un año. La velocidad de la luz es de unos 300.000 kilómetros por segundo.) No existe aún técnica capaz de transportarnos hasta allí. Pero supongamos que estamos en 2040 y el progreso nos permite viajar a un 99 por ciento de la velocidad de la luz, 0,99c. Si dejamos aparte los efectos de aceleración inicial y deceleración final, conforme nos vayamos acercando aparecerá la primera sorpresa: las estrellas de la vecindad del agujero negro se volverán de repente mucho más brillantes de lo que nos parecían; de pronto se nos han hecho más cercanas. Si pudiéramos determinar la distancia del agujero negro, ya no se hallaría a los 25 años luz que habíamos medido mientras estábamos en la Tierra, sino que se habría encogido hasta unos 3,5 años luz. La velocidad de 0,99c nos permitiría alcanzar el agujero negro en solo algo más de tres años y medio. El viaje de vuelta tardaría el mismo tiempo. Sumados los seis meses que pasemos en el agujero negro, habríamos estado fuera de la Tierra siete años y medio.

Si marcamos los días en un calendario tras abandonar la Tierra en 2040, este diría que estamos en 2047 cuando volvamos a la Tierra. Pero el calendario de quienquiera que se encontrara en la Tierra diría que nos encontramos en el año 2091. Habrían pasado 51 años para los habitantes de la Tierra y solo siete y medio para nosotros. No habríamos sentido nada especial, pese a que el tiempo pasó mucho más lento para nosotros. Esto no es más que un efecto de lo que predice la teoría de Einstein para los viajes próximos a la velocidad de la luz.

Einstein publicó su teoría en dos partes. La primera, o teoría especial de la relatividad, apareció en 1905. Es la teoría que explica el enlentecimiento del tiempo en nuestro viaje al agujero negro. Es también la que nos dice que no hay nada que pueda viajar más deprisa que la luz, a partir de la cual Einstein pergeñó la famosa ecuación E = mc2. Se le llama «especial» para distinguirla de la teoría general de la relatividad, publicada más tarde. La teoría especial es un subconjunto de la teoría general. En particular, se aplica solo al caso especial en el que ignoramos los efectos de la gravedad. La teoría general abarca, en cambio, la gravedad y explica las observaciones sobre la poderosa gravedad del agujero negro; constituye también la teoría que nos permite entender la estructura del universo como un todo, incluida la expansión percibida del mismo.

Que la velocidad de la luz sea de 300.000 kilómetros por segundo no es una idea, sino una ley que se extrae de la teoría especial. Se trata de la velocidad a través de un espacio vacío; la luz viaja más despacio cuando atraviesa el agua, el cristal o el aire.

En los últimos años, los científicos han logrado, en el laboratorio, ralentizar la velocidad de la luz al paso de un peatón. Sostiene la teoría de la relatividad que nada puede adelantar a la luz. Aunque, de acuerdo con la astronomía moderna, hay probablemente galaxias que están a miles de millones de años luz de nosotros (allende los límites de nuestro universo observable), que se están alejando con la expansión del universo a velocidades mucho más céleres que las de la luz, ello no viola la teoría especial de la relatividad porque el distanciamiento de esas galaxias de nosotros no implica nada que adelante a la luz.

Para entender la relatividad hay que establecer respecto a qué se es relativo. La teoría no propone que todo sea relativo. Antes bien, la teoría especial explicita que el movimiento es siempre relativo. Solo podemos describir el movimiento cuando indicamos con respecto a qué nos movemos.

Por eso, podemos afirmar que el avión se mueve en relación con la superficie de la Tierra a 1670 kilómetros por hora y que ese mismo avión, visto desde la Luna, se muestra estacionario mientras la Tierra gira debajo del mismo. Ambos enfoques son igualmente válidos. Hay más puntos de vista igualmente válidos sobre el vuelo del aeroplano. Los observadores que miren al sistema solar desde otra estrella verían al avión moverse a una velocidad de más de 100.000 kilómetros por hora, porque esa es la velocidad de la Tierra en su órbita alrededor del Sol. Los observadores que vivieran en otra galaxia verían el aeroplano moverse con la rotación de la Vía Láctea, a unos 800.000 kilómetros por hora. En lenguaje de la relatividad, cualquier descripción del movimiento del avión dependerá del marco de referencia del observador. Cada uno de los diferentes puntos de vista sobre el movimiento del avión (desde la superficie de la Tierra, desde la Luna, desde otra estrella y desde otra galaxia) representa un marco de referencia distinto. De forma general, decimos que dos personas u objetos comparten el mismo marco de referencia solo si son estacionarios en relación mutua.

Importa desentrañar el concepto de espaciotiempo, que exige entender el concepto de dimensión. Podemos definir la dimensión como el número de direcciones independientes en que puede desarrollarse un movimiento. El punto tiene dimensiones cero. El desplazamiento del punto forma la línea, unidimensional porque solo cabe movimiento en una dirección. El desplazamiento de la línea atrás y adelante genera un plano, bidimensional. Las dos direcciones del plano son a lo largo y a lo ancho. Cualquier nueva dirección es combinación de esas dos. Si desplazamos un plano arriba y abajo, ocupa un espacio de tres dimensiones, con tres direcciones independientes: longitud, amplitud y profundidad. Si pudiéramos desplazar el espacio atrás y adelante en «otra» dirección, generaríamos un espacio tetradimensional. No lo podemos visualizar, pero resulta muy fácil describirlo matemáticamente. En álgebra se nos presentan problemas unidimensionales con la variable x, problemas bidimensionales con las variables x e y, y problemas tridimensionales con las variables x, y y z. Un problema tetradimensional precisaría una cuarta variable: x, y, z y w. Podríamos continuar con cinco, seis, etcétera, dimensiones.

Al espacio con más de tres dimensiones se le denomina hiperespacio. El espaciotiempo es un espacio particular, en el que las cuatro direcciones de un movimiento posible son longitud, amplitud, profundidad y tiempo. El tiempo no es la cuarta dimensión, sino una dirección más del espacio.

Los objetos que vemos como tridimensionales en nuestra vida ordinaria aparecerían como objetos tetradimensionales en el espaciotiempo. Así como diferentes personas pueden ver diferentes dibujos bidimensionales del mismo libro tridimensional, diferentes observadores pueden ver distintos cuadros tridimensionales de la misma realidad espaciotemporal. Esos cuadros diferentes son las diferentes percepciones de tiempo y espacio de los observadores en distintos marcos de referencia. Por ese motivo, observadores distintos pueden obtener resultados diferentes cuando miden tiempo, longitud o masa, aun cuando todos ellos estén observando la misma realidad espaciotemporal. De acuerdo con el enunciado canónico: el espacio es distinto para diferentes observadores y el tiempo es distinto para diferentes observadores, pero el espaciotiempo es el mismo para todos.

Einstein, que creía en un universo intrínsecamente simple, tardó diez años en colmar las lagunas que dejaba la teoría especial. En 1915 dio con la solución global: redefinió la forma en que se interpretaba la gravedad, su logro más excelso. Durante siglos se creyó que la gravedad operaba solo en la Tierra y que los cielos seguían otras leyes. Hasta que en 1666 Isaac Newton se percató de que la fuerza que sostenía a la Luna en órbita junto a la Tierra era la misma que la que producía la caída de los cuerpos. Empleó una herramienta, el cálculo, en buena medida creada por él con esa finalidad, para demostrar que la fuerza de la gravedad era la responsable de los movimientos conocidos de los planetas en torno al Sol.

La ley de gravitación universal es una sencilla ecuación que nos permite calcular la fuerza de gravedad que opera entre dos cuerpos. Establece que la fuerza total depende del producto de las masas y del cuadrado inverso de la distancia. Amasando la ley de la gravitación con las leyes del movimiento, Newton creó una teoría de la gravedad que explicaba con éxito un amplio abanico de fenómenos, que abarcan desde la razón de que tengamos peso hasta las órbitas de los planetas, pasando por la caída de los graves. Entre sus éxitos más espectaculares se cuenta la predicción de la existencia y ubicación del planeta Neptuno antes de descubrirse mediante el telescopio. Se utiliza para proyectar las trayectorias de las sondas espaciales.

Para Newton, la gravedad era una fuerza que ejercía la acción a distancia entre dos objetos. Einstein propone que los efectos de la gravedad y los efectos de la aceleración son los mismos. Con su teoría general de la relatividad, elimina el misterio de esa acción a distancia. Las órbitas planetarias no son resultado de una fuerza gravitatoria oculta, sino las trayectorias más rectas posibles a través de regiones curvas del espaciotiempo. El hecho de que las órbitas representen las trayectorias más rectas posibles a través del espaciotiempo resulta muy útil: significa que, aun cuando no podemos ver la curvatura del espaciotiempo, sí podemos cartografiarla mediante la observación de las trayectorias orbitales.

No podemos ver directamente la curvatura del espaciotiempo, pero sí podemos someterla a prueba mediante la observación de la trayectoria de los rayos luminosos. La luz viaja siempre a la misma velocidad: nunca se acelera ni decelera, por lo que ha de seguir la trayectoria más recta posible a través del espacio y del espaciotiempo. Si el propio espacio es curvo, entonces la luz curvará su trayectoria al atravesar dicho espacio. Apoyándose en ese hecho, Einstein realizó una de las predicciones más espectaculares de la historia de la ciencia: que las estrellas deberían aparecer ligeramente desplazadas de su posición cuando se las observara cerca del Sol durante un eclipse solar total.

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