Mikel Martin
Pelo enmarañado, lengua burlona y una pequeña ecuación tan famosa como profunda. Es difícil encontrar, por no decir imposible, a un personaje del ámbito científico tan reconocido en la cultura popular como lo es Albert Einstein. El científico alemán, aparte de ser notorio por su apariencia y alguna que otra cita célebre (aunque muchas de ellas mal atribuidas), cambió para siempre el rumbo de la física moderna con sus contribuciones. Pero, ¿qué es exactamente lo que hizo Einstein para tener tanta repercusión? Aprovechando el día en el que se cumplen 105 años de una de sus publicaciones más revolucionarias, la Teoría de la Relatividad, repasamos la influencia y el legado de uno de los mayores genios del siglo XX.
¿Cómo fueron los inicios de Einstein?
Muchas veces las historias que se cuentan sobre grandes genios suelen empezar con un relato de una infancia difícil y carencias notables en las etapas educativas más tempranas. Albert Einstein nació el 14 de marzo de 1879 en Ulm, Alemania, en el seno de una familia judía. Sí que es verdad que las inclemencias de la época y motivos laborales parentales obligaron a él y a su familia a moverse por Europa durante los primeros años de su vida; no obstante, en lo que a su educación respecta, a los 13 años el joven Albert ya mostraba claros indicios de capacidades superiores en física y matemáticas, sobre todo en estas últimas. Su destreza con los números y el gran trabajo de muchos otros matemáticos contemporáneos fueron vitales para la concepción de tanto la Relatividad Especial como la Relatividad General años más tarde.
A los 17 años empezó a estudiar física y matemáticas en la Escuela Politécnica de Zürich. Tras completar sus estudios, al no conseguir un puesto de profesor, empezó a trabajar en la oficina de patentes de Berna, lo cual no le impidió continuar trabajando y estudiando durante sus ratos libres los problemas físicos que le intrigaban. El salto a la fama lo da en el año 1905, conocido como su annus mirabilis (año milagroso), cuando publica una serie de cuatro artículos que, en opinión de muchos, son sendos merecedores de un Premio Nobel por separado. En dos de ellos, Einstein introduce por primera vez los conceptos que forman la base de su Teoría de Relatividad Especial y la Relatividad General, entre ellos la famosa equivalencia masa-energía: E=mc2 .
Panorama en la Física
Antes de entrar en terreno más pantanoso, y para no perdernos en lo que sigue, repasemos brevemente el panorama general del mundo de la física. Por un lado, tenemos la física clásica. Sus cimientos se han ido formulando y asentando desde la época de Newton. Su propiedad principal es que se trata de una teoría física puramente determinista, es decir, según la física clásica, conocido el estado de un sistema en un tiempo determinado, es posible determinar exactamente cómo evolucionará en el tiempo mediante las leyes que rigen los fenómenos de la naturaleza. Por otro lado, y casi en el extremo contrario, encontramos la física cuántica. Ella es la encargada de explicar la amplia fenomenología que esconde el mundo atómico, desde las interacciones de partículas subatómicas hasta las propiedades exóticas de ciertos materiales. La cuántica nace a principios del siglo XX, siendo justamente los otros dos de los cuatro artículos del annus mirabilis de Einstein unas de las mayores evidencias a favor de esta nueva teoría.
La diferencia radical entre ambos campos reside en la naturaleza intrínsecamente probabilística de la segunda. Según la mecánica cuántica, los resultados que podemos esperar al realizar una observación de un sistema cuántico sólo pueden tomar unos ciertos valores (a diferencia de la física clásica), y además, aunque algunos de esos valores son más probables que otros, es imposible predecir con total certeza cuál de ellos será el que medimos antes de hacer la observación. Aquí el tintero se queda a rebosar de matices y detalles que haría falta explicar y detallar, pero esa es una historia para otro día y otros protagonistas.
El propio Einstein se mostró escéptico de la teoría que él mismo ayudó a confirmar. Famosa es su frase “Dios no juega a los dados”, refiriéndose a su negativa a aceptar que hubiese una componente puramente aleatoria en los mecanismos internos del universo (realmente él dijo algo muy parecido y el tiempo se ha encargado de adornarlo un poco). Pero hoy vamos a dedicar un poco más de tiempo a explicar qué es eso de la relatividad, por qué se dice eso de que el tiempo es la cuarta dimensión y por qué es una idea digna de llevar a su creador al Olimpo del mundo de la ciencia.
¿De dónde surge la teoría de la relatividad?
Como todas las grandes respuestas vienen de grandes preguntas, veamos la raíz del pensamiento que llevó a Einstein a desarrollar la teoría de la relatividad. Imagina que un rayo de luz pasa a tu lado. Te pones a correr junto a ella, cada vez más rápido, cada vez más rápido. ¿Cómo verías la luz si te mueves a la par?¿Quieta? Pues resulta que por mucho que te muevas, la velocidad de la luz siempre será la misma para ti. Este hecho se ha verificado en muchísimas ocasiones, Una implicación directa de este hecho, matemáticamente implacable, es que entonces el tiempo no puede ser el mismo para todos los observadores. De hecho, el tiempo, las distancias, las velocidades, pasan a ser unos conceptos que dependen del observador, pasan a ser… relativos.
Las ideas fundamentales aquí son que la velocidad de la luz en el vacío es igual para todo el mundo y más en general que las leyes de la física deberían ser independientes de cómo se esté moviendo el observador. Cuando uno obliga a las ecuaciones a cumplir esta idea tan aparentemente simple, las matemáticas se encargan ellas solas de predecir un mundo relativista. Es importante remarcar, sin embargo, que los efectos relativistas no se hacen notar cuando las velocidades implicadas son pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. Es por eso que en tu día a día, cuando vas a comprar el pan o vas en coche, los efectos relativistas son tan pequeños que pasan desapercibidos.
Un ejemplo manifiesto donde la relatividad es crucial es en el correcto funcionamiento de los GPS. Los satélites que triangulan tu posición necesitan llevar relojes internos ultra-precisos para adquirir el grado de precisión al que estamos acostumbrados. Aunque no se acercan mínimamente a velocidades cercanas a las de la luz, el hecho de viajar a grandes velocidades (y otros efectos) puede hacer que el reloj interno de un satélite se desfase por microsegundos respecto al de otros satélites. Si este efecto relativista no es corregido, la discrepancia se acumula hasta que en cuestión de pocos días has pasado de vivir 10 km más al sur según tu teléfono móvil.
Las anteriores líneas constituyen una brevísima introducción a la teoría de Relatividad Especial, que Einstein publicó en 1905. Lo que conocemos como Relatividad General tardaría una década más en llegar, hasta el 20 de marzo de 1916, el tiempo que llevó al físico alemán a darse cuenta de que, según la relatividad especial, no había ninguna razón para no dar el mismo tratamiento al tiempo y a las distancias. En vez de trabajar con (x,y,z), se centró en trabajar con (x,y,z,t) ; y tampoco trabajó con el espacio, lo hizo con el espacio-tiempo. En el primer caso se trabaja con tres coordenadas y se estudia cómo cambian con el tiempo, siendo este último de naturaleza distinta a las otras. En el segundo caso se trabaja con cuatro coordenadas, todas ellas como parte de un todo. Cuatro coordenadas, cuatro grados de libertad, cuatro dimensiones.
El segundo ingrediente principal es asumir que los cuerpos que viven en dicho espacio-tiempo de alguna manera lo “curvan”, mientras que la propia curvatura dicta cómo se mueven los cuerpos. (Para los lectores más valientes, lo que realmente escribió Einstein es que el tensor de energía-momento está relacionado con el tensor de curvatura del espacio-tiempo, y que en ausencia de fuerzas externas los cuerpos siguen las geodésicas). ¿Y toda esta jerga matemática, tiene sentido más allá que en las pizarras donde se escribe? Pues además de explicar fenómenos astronómicos con gran detalle y ser comprobada experimentalmente, lleva mucho tiempo prediciendo fenómenos cosmológicos fascinantes con años de antelación a su descubrimiento (agujeros negros, ondas gravitacionales). En lo que entender el universo a gran escala se refiere, la Relatividad General no tiene rival.
Desafíos
Si has estado atento hasta ahora, te habrás dado cuenta de que la palabra “cuántica” no ha hecho acto de presencia en ningún momento al hablar de la Relatividad General. No es de sorprender, ya que esta teoría encaja mejor en lo que hemos llamado “clásico”. Y aquí viene el meollo de la cuestión. La Relatividad General es una teoría tremendamente exitosa que nos ayuda a entender con gran precisión el mundo que nos rodea. Exactamente lo mismo podemos decir de la Física Cuántica, responsable directa de la mayor revolución tecnológica en la historia de la humanidad. Pero una no es capaz de explicar la otra y viceversa. Las dos teorías son de naturaleza radicalmente distinta. Mientras que la cuántica representa todas las fuerzas fundamentales menos la gravedad como los actores de nuestro mundo, la relatividad general explica la gravedad como el escenario donde los actores interpretan su papel.
Uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la física actual es encontrar lo que se suele llamar una Teoría del Todo: un marco matemático que unifique de manera correcta la gravedad con las demás fuerzas fundamentales. La lista de propuestas formuladas por la comunidad científica no es corta: Teoría de Cuerdas, SuperSimetría, Teoría M… Muchas de ellas se basan en sofisticados aparatos matemáticos que, por muy elegantes soluciones que proponen, son incapaces de generar predicciones concretas que se puedan verificar de manera empírica.
La guerra que el propio Einstein empezó sigue vigente hoy en día. Los dos campos más fructíferos de la física que conocemos conviven como dos piezas de un puzzle que no acaban de encajar, dos piezas esenciales que no pueden faltar. Mientras tanto, los científicos siguen dando vueltas a las fichas que quedan sobre la mesa, a la espera de que alguien, alguna mente brillante, algún día sea capaz de dar con la que falta para acabar el puzzle.