¿Sabías que el tiempo no siempre transcurre a la misma velocidad? ¿O que la luz no siempre viaja en línea recta sino que se puede curvar? Hoy hablaremos de estas y otras curiosidades del espacio-tiempo y la fascinante historia de cómo llegamos a esta comprensión de esta realidad que nos rodea.
Por: Andrés Meza Escallón @ApoloDuvalis
Dilatación temporal
Demos un salto al siglo 19. Hasta esa época se creía que el espacio donde nos movemos nosotros, el sol, las estrellas y los planetas era un vacío uniforme y simple. Además, se consideraba al paso del tiempo como algo constante en todo el universo, inmune a cualquier fenómeno a los que estamos sometidos nosotros, los pobres mortales.
Sin embargo, varias observaciones sugerían que el tiempo transcurre más lento en presencia de la gravedad. ¿Cómo así? Para entenderlo hagamos un experimento mental: ¿Qué pasaría si tomamos dos relojes sincronizados, dejamos uno al nivel del mar y mandamos el otro a dar vueltas alrededor de la Tierra por varios meses? Cuando volvamos a poner ambos relojes uno al lado del otro, vamos a notar que el que estuvo lejos del planeta estará adelantado con respecto al que se quedó en Tierra por unas fracciones de milisegundo. ¿Por qué? Pues porque nosotros al nivel del mar estamos a merced de la gravedad de la Tierra y experimentamos un fenómeno conocido como dilatación del tiempo. Mientras tanto, el reloj que estuvo en el espacio experimentó un paso del tiempo casi normal. La razón es que la influencia de la gravedad disminuye según nos alejemos de la fuente, por lo que al estar en órbita estuvo sometido a menor gravedad proveniente de la Tierra. En otras palabras, no es que el reloj viajero se hubiera adelantado, sino más bien que nuestro reloj local se atrasó debido a la mayor gravedad.
Otro ejemplo lo vimos en una de las misiones de “Interstellar (2014)”. ¿Te acuerdas cuando encuentran un planeta que está cerca de un hoyo negro? Pues a Romilly lo dejan en la Endurance parqueado en una órbita alejada del hoyo negro, mientras Cooper, la doctora Brand y Doyle bajan en una nave más chiquita al planeta Miller que está mucho más cerca del hoyo negro. Y cómo sería de fuerte la influencia gravitacional del hoyo negro que tres horas allí eran equivalentes a 23 años en la Endurance. El caso es que los chicos vuelven del planeta tras los que para ellos fueron unas pocas horas y se encuentran con que en la Endurance su compañero Romilly ya estaba era esperando la pensión. Para él, el tiempo transcurrió normalmente, por lo que desde su perspectiva pasaron años entre el momento en que Cooper y Brand bajaron al planeta y el momento en que se dignaron a volver.
Curvatura de la luz
Otro ejemplo de que las cosas se ponen raras en presencia de la gravedad es un fenómeno conocido como curvatura de la luz. Se trata de que cuando la luz, por ejemplo de una estrella distante, pasa muy cerca de un campo gravitacional fuerte, como por ejemplo nuestro sol, la posición aparente de la estrella se ve corrida hacia un lado. En términos prácticos, es como si la luz no hubiera recorrido una línea recta sino una curva para llegar hasta nosotros, de ahí el término de curvatura de la Luz.
Si le preguntamos a un fotón de ese haz de luz si viajó en línea recta, él siempre va a decir que sí. Esto nos indica que al pasar cerca de una fuente de gravedad como una estrella, lo que se curva es el espacio que atravesó el fotón.
Este fenómeno es similar al de una ciclista recorriendo una carretera en línea recta y pedaleando a una frecuencia constante. Si le preguntan, ella dirá que siempre estuvo pegada al suelo viajando en línea recta, pero su altura sobre el nivel del mar va a mostrar pequeñas variaciones si el terreno tenía pendientes. Y de hecho, si la pendiente es en subida la velocidad de la ciclista disminuye, mientras que en bajada aumenta, de manera similar a cómo se comporta una nave espacial al alejarse o acercarse a una estrella.
En conclusión, así un objeto se mueva en línea recta, si el espacio por el que se mueve está sometido a una fuerza gravitacional lo suficientemente fuerte como la de un sol o un hoyo negro, el espacio como tal se deforma y el tiempo se dilata. El efecto final es como si el objeto hubiera seguido una trayectoria curva.
Uniendo las piezas
Entonces si el espacio se deforma bajo la influencia de la gravedad y el tiempo se dilata bajo la influencia de la gravedad, al observar el espacio hay que tener en cuenta el tiempo en vez de verlos como dos entidades independientes.
Albert Einstein alcanzó a considerar en su postulación de la relatividad especial de 1905 que esos fenómenos raros se explican fácilmente si dejamos de pensar en espacio y tiempo como dos entidades separadas. Pero como su fuerte no eran las matemáticas su artículo se quedaba un poco corto en ese aspecto y tal vez se hubiera quedado solo como una buena idea. Sin embargo, su antiguo profesor de matemáticas, Hermann Minkowski, también estaba trabajando por su cuenta en el mismo tema y fue quien desarrolló la interpretación geométrica del espacio-tiempo, que articuló matemáticamente en su famosa charla del 21 de septiembre de 1908 “Espacio y Tiempo”. Por eso hasta el día de hoy al espacio-tiempo en el que funciona la Relatividad Especial se le conoce como “Espacio-tiempo de Minkowski”.
Ya en 1916 Einstein reconoció que la interpretación geométrica del espacio-tiempo de Minkowski le facilitó la transición de la teoría de relatividad especial a la relatividad general, por la que se hizo famoso.
El experimento
Pero ¿cómo sabemos que no es carreta lo que dice Einstein sobre que el espacio tiempo se curva en presencia de la gravedad? Toca hacer un experimento. Pero como aquí no sabemos todavía cómo producir gravedad artificialmente, toca recurrir a la fuente más poderosa que tenemos en el vecindario: el sol. Si la teoría de Einstein es correcta, durante un eclipse debería ser posible fotografiar las estrellas que aparecen cerca al borde del disco solar y medir qué tanto se curvó el espacio tiempo al comparar su posición durante el eclipse versus su posición normal lejos del sol. Así que varias expediciones internacionales salieron en 1914 a diferentes lugares del mundo donde fuera visible el eclipse del 21 de agosto. Lamentablemente les llovió, les tocó clima nublado, en fin, un desastre, y tuvieron que volver sin la prueba que estaban buscando.
Y aunque este fracaso parezca algo malo, resultó siendo una bendición para Einstein. Resulta que en su publicación de 1911, Einstein se equivocó en los cálculos y predijo que la distorsión causada por la gravedad del sol sería de 0.83 segundos de arco. ¿Te imaginas que los astrónomos hubieran fotografiado el eclipse y hubieran encontrado que Einstein estaba equivocado? Semejante oso hubiera castigado severamente la credibilidad del físico y su teoría revolucionaria no hubiera sido tenida en cuenta.
Menos mal Einstein revisó sus cálculos y en 1915 publicó su artículo de la Relatividad General, con la predicción correcta de la distorsión de la luz al pasar cerca del sol: 1.7 segundos de arco.
La corroboración de Eddington
Afortunadamente, Arthur Stanley Eddington, un profesor de astronomía de la Universidad de Cambridge, se interesó por la teoría de Einstein, y era uno de los pocos científicos en el mundo que eran capaces de entenderla. Eddington captó inmediatamente la importancia y las implicaciones de la relatividad de Einstein, por lo que se puso a promoverla y difundirla en la Sociedad de Física y en Cambridge. Tanto fue su entusiasmo que el Astrónomo Real, Frank Watson Dyson organizó dos expediciones para fotografiar el eclipse de 1919 y corroborar las predicciones de Einstein.
Lamentablemente, Europa estaba en plena Guerra Mundial y como Eddington era apto, el ejército británico lo quería reclutar a la fuerza para llevarlo al frente de combate. El astrónomo hizo todo tipo de artimañas legales para no ir, hasta que logró que Dyson, el astrónomo real, lo comisionara para liderar una de las dos expedición de 1919 y así evadir el reclutamiento.
Así que un equipo se fue para Brasil y el equipo de Eddington se embarcó para la isla de Príncipe, en el Golfo de Guinea, África occidental.
El plan era aprovechar que el eclipse de 1919 a las 2:00 pm iba a ocurrir muy cerca de un grupo de estrellas brillantes llamadas las Hyades, cuyo resplandor haría más fácil percibir cualquier cambio en su posición. Entonces el 12 de mayo, Eddington y su colega Edwin Turner Cottingham amanecieron listos en la isla Príncipe con sus equipos cuando los cogió tremendo aguacero. Se temían que otra vez la expedición iba a ser un fiasco cuando a eso de medio día escampó. A la 1:30 PM las nubes medio dejaron ver el sol, así que los científicos se pusieron a tomar fotos tan rápido como les era posible. Alcanzaron a exponer 16 placas fotográficas durante el eclipse, cruzando los dedos para que alguna sirviera. Eddington reveló las placas allí mismo y de las 16, sólo una logró captar la evidencia que necesitaban. El astrónomo hizo las mediciones y encontró que las estrellas se habían movido exactamente como lo había predicho Einstein.
Quiero resaltar lo monumental de este hecho. Cuando se formula una teoría a partir de una observación empírica, está muy bien, pero cuando una teoría se anticipa y predice fenómenos que todavía no han sido observados, es otro nivel de genialidad y madurez. Y esto fue lo que pasó en esa remota isla con la Teoría de la Relatividad de Einstein.
Eddington regresó a Inglaterra y en una reunión de la Royal Society de noviembre de 1919 anunció el descubrimiento, que fue publicado oficialmente en 1920. A partir de allí, todo fue la locura: la confirmación de la predicción de la teoría de la relatividad fue algo tan espectacular que la noticia llegó a la primera página de los periódicos más importantes y Albert Einstein se convirtió en una celebridad mundial.
Conclusión
Desde entonces ya no entendemos el espacio como un vacío pelado de tres dimensiones sino como una estructura que se entrelaza con el tiempo llamada espacio-tiempo. Esta estructura es fluida, se curva y se deforma ante la presencia de la materia y la energía. Y todo lo que esté en el espacio-tiempo se mueve siguiendo su curvatura. Lo más rápido que se puede dar este movimiento es a la velocidad de la luz, ya sean cometas, naves espaciales, ondas de radio, la gravedad y, evidentemente, la luz.
Desde este rinconcito de internet recordamos con agradecimiento a Albert Einstein por haber formulado teóricamente el espacio-tiempo y la relatividad especial, a Hermann Minkowski por aportar la interpretación geométrica del espacio-tiempo que le dio a Einstein el sustento matemático para formular la Relatividad General y a Arthur Stanley Eddington por haber entendido y promovido las ideas de Einstein y haber obtenido la prueba empírica que le dio a la teoría de la Relatividad la credibilidad que necesitaba para cambiar al mundo.
