jueves, 27 de septiembre de 2012

Probando la relatividad general de Einstein 2

En la entrada anterior, planteamos un leve esbozo sobre los principios sobre los cuales se basa la relatividad general (aunque también vimos algunos de la relatividad especial) de Albert Einstein, con el fin de entender la manera en la que ésta teoría fue al fin probada, cuestión que trataremos en la presente publicación.

En el momento en que Einstein formuló su teoría, entre 1915 y 1916, pensó que si realmente ésta era cierta y los objetos deformaran el espacio  a su alrededor en virtud de la masa, cuando un objeto de menor tamaño pasara por el sol (por ejemplo), éste cambiaría su trayectoria ya que recorrería el espacio deformado allí. Para entender ésto mejor, tomemos de nuevo el ejemplo en donde ponemos una bola de gran peso sobre una superficie que se pueda curvar como una tela, si en primer lugar lanzamos una bola más pequeña para que pase por el lado de la bola grande, la bola pequeña comenzará, a medida que se acerca a la curvatura generada por la bola grande a curvar también su trayectoria y ser "atraída" por la masa mayor de la bola grande; así pues es que básicamente Einstein formuló lo que realmente era la gravedad propuesta primero por Newton, pero con base no en una fuerza de atracción gravitacional, sino en virtud de la curvatura que los cuerpos por su masa generan en la "tela" del espacio-tiempo.

Ahora venia la parte difícil: ¿como lo iba a probar?


Lo primero que se pregunto fue ¿que objeto es lo suficientemente grande como para curvar el espacio-tiempo de manera que sea lo suficientemente visible el efecto? Einstein tenia la respuesta literalmente en el cielo: el sol! una estrella como la nuestra con su masa de cerca de 332.950 veces la masa de la de la tierra es lo suficientemente grande para el experimento. Segundo ¿que objeto podemos pasar por ahí para observar su trayectoria y ver si se curva por la masa solar? éste parecía ser el problema más complejo, ya que no se podía construir un objeto y simplemente enviarlo en una trayectoria recta a fin de observar si se curvaba; fue entonces cuando se le ocurrió la manera de hacerlo, viendo que no era necesario mandar nada desde la tierra, sino que sería más fácil recibir lo que pasaría al lado del sol desde el espacio mismo, nos referimos a la luz!

Ya que la luz viaja en linea recta, lo más sencillo era ver una haz que pasara al lado del sol y del que conociéramos cual debería ser su trayectoria de antemano y pues ya conocíamos la trayectoria de muchos de esos haces: los provenientes de las estrellas distantes. ¿Como así? pues desde hace tiempo ya se habían realizado mapas celestes con las posiciones de las estrellas en el firmamento, era algo que se llevaba haciendo desde tiempo remotos de la humanidad, sin embargo los de la época eran por mucho más precisos, con las distancias entre una estrella y otra medidas con gran fidelidad, ¿pero como usamos eso para probar la relatividad?

La posición de la tierra respecto al sol, como todos sabemos, cambia por los dos movimientos más conocidos de la tierra: rotación y traslación. En virtud del primero, en el momento en que una parte de la tierra se encuentra de cara al sol, la otra se encuentra con la posibilidad de ver  al espacio sin la interferencia de la luz solar, viendo las posiciones de las estrellas ya conocidas, que no son más que que los haces de luz que nos llegan en linea recta desde las estrellas.

En esta imagen usamos un haz de luz enviado desde la luna que viaja en linea recta
hasta la tierra,
el principio es el mismo para la luz proveniente de las estrellas.



Ahora, en virtud del segundo movimiento (el de traslación), la tierra se mueve alrededor del sol, por lo tanto en algún momento en donde la tierra se mueva 180 grados (solo para ejemplarizar, pues sabemos que la trayectoria es elíptica y no circular) quedará, pero está vez en el día, viendo el mismo plano del espació que antes podía ver en la otra posición de noche, sólo que esta vez con la interferencia de la luz solar. (ver figura siguiente)


Lo anterior serviría para comparar los planos celestes que teníamos sobre las posiciones de las estrellas y la distancia entre las mismas vistas cuando no estaba el sol en frente con la distancia y la posición de las estrellas pero ahora vistas cuando la luz de éstas pasaran al lado del sol, de manera que si la teoría era cierta, los haces de luz deberían curvarse por la masa solar al curvar el espacio y de esa manera cambiar su posición aparente y alejarse unas de otras. Pero había otro problema, la luz del sol es tan intensa que no dejaría ver estrella alguna cuando intentáramos ver el plano que era de nuestro interés, pues el sol estaría justo enfrente, entonces vino la última idea para llevar a cabo el experimento. La pregunta es ¿cuando podemos ver el espacio que rodea al sol sin que la luz nos ciegue? pues en un eclipse total de sol!!! que nos  permitiría ver las estrellas alrededor del astro como si fuese de noche, con la ventaja de tener al sol frente a nosotros y observar por fin si la posición de las estrellas cambiaban por que la luz proveniente de ellas se curvaba por la masa solar.

Resumiendo mucho la historia (que es de por si muy interesante y amerita que el lector se interese por ella), Einstein mandó cartas a todos los grandes observatorios del mundo con su predicción pidiéndoles que les dieran algunos minutos en el próximo eclipse total de sol, sin embargo parecía que todos los astrónomos estaban muy ocupados en sus tareas ya que no recibió respuesta alguna, lo cual desde luego era muy frustrante pues sabía la envergadura de lo que significaba probar su teoría y cambiar siglos de la concepción gravitacional de newton, nada resistible.

Lo que se vería en el eclipse: en las figuras A y B vemos la posición de la estrella  (E) que deberíamos ver si no se curva el espacio y la luz viaja en linea recta. En las figuras C y D vemos lo que debería pasar si Einstein tenía razón, la estrella se alejaría de su posición inicial (E') por que la luz al pasar por el sol se curva producto de la curvatura del espacio generada por el astro. Imagen tomada de http://www.iac.es/cosmoeduca/gravedad/fisica/fisicaeclipses.htm
Pasaron 4 interminables años, hasta que por fin Arthur Eddington probó tomando fotografías de un eclipse total de sol  el alejamiento predicho en la posición aparente de las estrellas al pasar su luz por el el sol, con exactitud pasmosa dicha por Einstein, ésto dio inmediata fama que aun persiste al físico alemán y reivindico la nueva interpretación del espacio y del tiempo, la más maravillosa concepción imaginable de nuestro universo jamás pensada en un libro de ciencia ficción, haciendo posible que hoy hablemos con propiedad de términos como curvatura del espacio-tiempo, trascurrir del tiempo relativo, etc.

Espero que esta publicación sea lo suficientemente clara como para que el lector comprenda el maravilloso cosmos en el que se mueve nuestro planeta y que nos ha deparado tan maravillosas sorpresas pero que está lejos de habernos mostrado las últimas y en conclusión: EINSTEIN TENÍA RAZÓN!!!!!





miércoles, 12 de septiembre de 2012

Probando la relatividad general de Einstein

La mayoría de las veces, cuando un científico encuentra una teoría novedosa, su primera dificultad está en como probarla experimentalmente, pues algunas teorías exigen ya sea una tecnología especial que no siempre se encuentra disponible en esa época, bien un gasto de dinero bastante considerable o a veces el sólo hecho de idear alguna manera de probarla es ya de por si un ejercicio intelectual casi tan arduo como proponer la teoría misma.

Trataremos en esta entrada de explicar la manera en que por primera vez fue probada, mediante la observación directa, la teoría de la relatividad general de Einstein, que como imaginara el lector, por la magnitud misma de la proposición no era posible probar en la tierra, pues como veremos fue necesario acudir a los fenómenos de las grandes masas del universo para por fin validar la nueva concepción del cosmos propuesta por el prominente físico alemán.

No entraremos a tratar a fondo los postulados de la teoría de la relatividad general, pues es un tema bastante complejo y extenso, que si el lector gusta profundizar, no me cabe duda que encontrará bastante material de divulgación científica disponible en la red a modo de documentales, artículos y libros con lenguaje bastante accesible y didáctico; sin embargo, como marco general y con el fin de entender el sentido del experimento llevado a cabo, si recogeremos someramente los principios que sirvieron de base para la comprobación.

En primer lugar, en 1905 Albert Einstein propone su revolucionaria teoría de la relatividad especial,  en donde se ponía de manifiesto, entre otras cosas, algo que aún resulta sorprendente y raya contra la lógica de nuestra vivencia diaria, el hecho de que no existe un tiempo absoluto y que éste trascurre de manera diferente en varios lugares del universo!! Por más increíble que parezca, esto es verdad. Esta teoría Surge de la observación de que la velocidad de la luz en el vacío es igual en todos los sistemas de referencia inerciales, que dicho en castellano quiere decir que la velocidad de la luz siempre será la misma desde cualquier perspectiva en que la observemos y a cualquier velocidad que nos movamos; por ejemplo, supongamos que ponemos un faro de luz o un láser apuntando en dirección norte-sur, como la velocidad de la luz no es infinita sino que ésta se desplaza a razón de 299.792.458 m/s (en el vacío), ésta velocidad sería a la que  veríamos pasar a la luz frente a nosotros, sin embargo, si tuviésemos una nave o vehículo que se pudiera mover, digamos a la mitad de la velocidad de la luz y siguiéramos el haz de luz en el mismo sentido que ésta se desplaza (en nuestro ejemplo de norte a sur), el haz como es lógico nos adelantaría; hasta aquí no hay inconveniente, pero ¿ a que velocidad veríamos pasar esta vez la luz tomando en cuenta que vamos en el mismo sentido de ésta a la mitad de la velocidad de la luz? La lógica cotidiana nos diría que la veríamos pasar a la mitad de la velocidad de la luz, puesto que nosotros vamos en la misma dirección en una nave que lleva la mitad de la velocidad que la luz. Pues oh sorpresa, eso no es lo que pasaría, la veríamos pasar a la misma velocidad de la luz completa, es decir como si nosotros nos nos estuviéramos desplazando; a esta increíble conclusión llegó Einstein (el porque de este fenómeno puede, como dije anteriormente ser profundizado de manera más clara y extensa por el lector).

Ahora bien, Einstein se dio cuenta que su teoría tenía una seria limitación, no tenía en cuenta la gravedad y por otra parte solo se podía aplicar a objetos que se movieran en linea recta y a velocidades constantes, y como sabemos, el universo no se comporta de esa manera, pues constantemente se producen estallidos de estrellas que envían partículas aceleradas, objetos colisionan, etc, incluso en nuestro planeta nos damos cuenta  que constantemente nosotros aceleramos y desaceleramos, por ejemplo la tierra no gira alrededor del sol a una misma velocidad siempre y aun el mismo universo se esta acelerando en su tasa de expansión tras el big bang. Fue por esta razón que Einstein trabajó largos años en una teoría que abarcara estas limitaciones, siendo el producto la denominada relatividad general, publicada en 1915 y 1916.


Albert Einstein predijo que la masa de cualquier objeto produciría un curvatura en el espacio, es decir, el espacio es análogo a una tela sobre la cual ponemos un objeto y que produce una curvatura en esta tela, pues de la misma manera la masa produce curvaturas en el espacio y son éstas las que producen lo que Newton llamó gravedad; esto por supuesto representaba enfrentarse a siglos de teorías basadas en uno de los héroes del mismo Einstein, Sir Isaac Newton, denominado el padre de la física moderna, ya que Einstein descubrió que no existe tal cosa llamada fuerza de atracción gravitacional y que era la curvatura de los objetos en el espacio lo que generaban entre otras cosas las órbitas planetarias y el hecho de que estemos "pegados" a este planeta.

Imagen que representa la curvatura del espacio producida por la tierra


Representación de como la curvatura del espacio producida por
 la tierra genera la órbita lunar
Para que no se haga muy tediosa la lectura de esta entrada y para que el lector que quiera profundizar un poco en estas teorías lo pueda hacer, tomaremos una breve pausa y ya explicadas someramente las predicciones de la relatividad general de Einstein en cuanto a la curvatura que producen los objetos en el espacio, entraremos en la siguiente entrada de lleno a explicar la manera en que se pudo comprobar dicha predicción, una forma llena de ingenio que tiene de por medio uno de los fenómenos naturales que más ha cautivado a los seres humanos en el trascurso de su historia: un eclipse total de sol.

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