En 1905, Albert Einstein dio un vuelco al mundo de la física teórica al publicar un trabajo en la disciplina que más tarde se llamaría teoría especial de la relatividad. Mostró que el espacio y el tiempo no pueden considerarse entidades absolutas: el tiempo puede acelerarse o ralentizarse, las longitudes estándar pueden contraerse, las masas pueden aumentar.
Y, el resultado más famoso, la equivalencia de masa a energía, y su proporción se expresa mediante la ecuación E = mc².
Nadie duda del genio de Einstein, quien formuló la relatividad general, pero se acepta generalmente que si no hubiera publicado su teoría en 1905, algún otro físico pronto lo habría hecho en su lugar.
"Cruz de Einstein": cuatro imágenes de un cuásar distante, obtenidas debido al hecho de que la luz de este se curva alrededor de la galaxia ubicada más cerca de nosotros, funcionando como una lente gravitacional.
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No fue hasta 1915 que Einstein demostró su genio al publicar su teoría de la relatividad general. Ella argumentó que la curvatura del espacio-tiempo es proporcional, y también ocurre debido a la "densidad de energía-momento", es decir, la energía y el momento asociados con cualquier materia en una unidad de volumen de espacio.
Esta afirmación se confirmó cuando coincidió con las observaciones de la órbita inusual de Mercurio y la luz de las estrellas que se dobla alrededor del Sol.
Durante los últimos cien años, la relatividad general ha sido probada con una precisión asombrosa y ha superado la prueba en todo momento. La relatividad general se ha convertido en un salto tan gigantesco que se puede decir que si Einstein no la hubiera formulado, podría permanecer sin descubrir durante mucho tiempo.
El camino a la relatividad general
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En 1907, Einstein tuvo el "pensamiento más feliz de su vida" mientras se sentaba en una silla en la oficina de patentes de Berna:
Si una persona cae libremente, no siente su peso.
Ella lo llevó a la formulación del "principio de equivalencia", que dice que es imposible distinguir entre el marco de referencia acelerado y el campo gravitacional. Por ejemplo, si está parado en la Tierra, se sentirá exactamente igual que si estuviera parado en una nave espacial que se mueve a una aceleración de 9,81 m / s², con la aceleración de la gravedad en la Tierra.
Este fue el primer gran paso hacia la formulación de una nueva teoría de la gravedad.
Einstein creía que "toda la física es geometría". Quería decir que el espacio-tiempo y el Universo pueden pensarse en términos geométricos. La conclusión más sorprendente de la relatividad general, la naturaleza dinámica del tiempo y el espacio, aparentemente llevó a Einstein a la necesidad de repensar el espacio-tiempo "geométrico".
Einstein llevó a cabo una serie de ingeniosos experimentos mentales que compararon las observaciones realizadas por observadores en marcos de referencia inerciales y rotativos.
Estableció que para un observador en un marco de referencia rotatorio, el espacio-tiempo no puede ser euclidiano, es decir, como esa geometría plana que todos estudiamos en las escuelas. Necesitamos introducir "espacio curvo" en nuestro razonamiento para dar cuenta de las anomalías predichas por la relatividad. La curvatura se convierte en el segundo supuesto más importante que respalda su relatividad general.
Para describir el espacio curvo, Einstein recurrió a un trabajo anterior de Bernard Riemann, un matemático del siglo XIX. Con la ayuda de su amigo Marcel Grossmann, también matemático, Einstein pasó varios años tediosos estudiando las matemáticas de los espacios curvos, lo que los matemáticos llaman "geometría diferencial". Einstein señaló que "en comparación con la comprensión de la gravedad, la relatividad especial parecía un juego de niños".
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Einstein ahora tenía el aparato matemático para llevar a cabo la teoría. El principio de equivalencia establece que un marco de referencia acelerado es equivalente a un campo gravitacional. Como resultado de sus estudios en geometría, creía que el campo gravitacional era una simple manifestación del espacio-tiempo curvo. Por tanto, pudo demostrar que los marcos de referencia en aceleración eran espacios no euclidianos.
Desarrollo
El tercer paso más importante fue la eliminación de las dificultades para aplicar la relatividad general a la gravedad newtoniana. En la teoría especial de la relatividad, la constancia de la velocidad de la luz en todos los marcos de referencia y la afirmación de que la velocidad de la luz es la máxima velocidad alcanzable, contradecía la teoría de la gravedad de Newton, que postulaba la instantaneidad de la acción de la gravedad.
En pocas palabras, la gravedad newtoniana dijo que si el sol fuera retirado del centro del sistema solar, el efecto gravitacional de este evento se sentiría instantáneamente en la Tierra. Pero SRT dice que incluso el efecto de la desaparición del Sol se moverá a la velocidad de la luz.
Einstein también sabía que la atracción gravitacional de dos cuerpos es directamente proporcional a sus masas, lo que se deriva de F = G * M * m / r² de Newton. Por lo tanto, la masa determinó claramente la fuerza del campo gravitacional. SRT dice que la masa es equivalente a la energía, por lo que la densidad de energía-momento también debería determinar la fuerza de gravedad.
Como resultado, las tres suposiciones clave que Einstein utilizó para formular su teoría fueron:
1. En los marcos de referencia rotativos (no inerciales), el espacio es curvo (no euclidiano).
2. El principio de equivalencia dice que los marcos de referencia acelerados son equivalentes a los campos gravitacionales.
3. La equivalencia de masa y energía se sigue de SRT, y de la física newtoniana se deduce que la masa es proporcional a la fuerza de gravedad.
Einstein pudo concluir que la densidad de energía-momento crea, y es proporcional, a la curvatura del espacio-tiempo.
No se sabe cuándo tuvo su "percepción", cuándo fue capaz de resolver este rompecabezas y relacionar la masa / energía con la curvatura del espacio.
De 1913 a 1915, Einstein publicó varios artículos, mientras trabajaba en la finalización de la relatividad general. Se encontraron errores en algunos de los trabajos, lo que llevó a Einstein a perder el tiempo en distracciones innecesarias en el razonamiento teórico.
Pero el resultado neto, que la densidad de energía-momento dobla el espacio-tiempo, como una bola de boliche es una lámina de goma estirada, y que el movimiento de masa en un campo gravitacional depende de la curvatura del espacio-tiempo es, sin duda, las mayores conjeturas hechas por la inteligencia humana.
Desventaja
¿Cuánto tiempo habríamos entendido la gravedad si no fuera por el genio de Einstein? Es posible que tengamos que esperar durante muchas décadas. Pero en 1979, el misterio seguramente saldría a la luz. En ese año, los astrónomos descubrieron "cuásares gemelos", QSO 0957 + 561, el primer cuásar en observar lentes gravitacionales.
Este asombroso descubrimiento solo puede explicarse por la curvatura del espacio-tiempo. Para él, probablemente le habrían dado el Premio Nobel, si no fuera por el genio de Einstein. O tal vez aún debería ser entregada.
