Las predicciones del físico alemán Albert Einstein (1879-1955) siguen sorprendiendo a la comunidad científica más de un siglo después, tanto las ya confirmadas como las que aún estamos explorando.
Einstein encabeza la lista de los científicos más famosos e icónicos de la historia. Sus teorías de la Relatividad Especial en 1905 y la Relatividad General en 1915 revolucionaron el universo de la física.
El físico alemán fue más allá de la teoría de la gravedad de Newton, que existía desde 1687.
Einstein también introdujo sus famosos experimentos mentales, que también pusieron a prueba los primeros desarrollos en mecánica cuántica. Sus contribuciones en este campo le valieron el Premio Nobel de Física, que ganó en 1921 por el efecto fotoeléctrico.
Mucha gente cree que el Premio Nobel de Relatividad General, que no le fue entregado, es una gran deuda pendiente. Según esta teoría, la gravedad se entiende como una deformación o curvatura del espacio-tiempo, provocada por la distribución de masas y energías.
En otras palabras: cuanto más masa se comprime en menos volumen, más espacio-tiempo a su alrededor se deforma o se curva. Cualquier otra partícula u objeto que pase cerca de estos objetos siente esta curvatura, lo que hace que su trayectoria cambie.
Predicción confirmada: el día en que se observó la curvatura del espacio-tiempo
Algunas de las predicciones o consecuencias de la Relatividad General fueron puestas a prueba en poco tiempo. En 1919, apenas cuatro años después de la publicación de la teoría, se produjo un eclipse solar total, el evento ideal para probar la curvatura del espacio-tiempo.
Fueron varias las expediciones científicas que viajaron a Brasil y la costa occidental africana para tomar las mejores fotografías y datos de ese eclipse y, sobre todo, de las estrellas que rodeaban al Sol.
El objeto más masivo y compacto que tenemos a nuestro alrededor es el Sol. Lo que se quería comprobar era si la luz de estrellas lejanas se veía afectada por la curvatura del espacio-tiempo que generaba el Sol al pasar cerca de él.
En ese caso, su trayectoria se desviaría ligeramente de una línea recta, lo que provocaría que la posición aparente de la estrella en el cielo cambiara ligeramente. La confirmación de este efecto, consistente con las mediciones del eclipse de 1919, hizo mundialmente famoso a Einstein.
Las dudas de Einstein: las vibraciones del espacio-tiempo
Pero para demostrar experimentalmente otras predicciones de la Relatividad General, necesitamos esperar mucho más. En 1916, Einstein comenzó a analizar en detalle sus ecuaciones y, en particular, una serie de términos que, en definitiva, parecen una ecuación de onda: la misma estructura que aparece en muchos sistemas físicos en los que tenemos una perturbación que se propaga transportando energía. . .
En este caso, las ecuaciones dicen que lo que vibra es el propio espaciotiempo, ya estas perturbaciones las llamamos ondas gravitatorias.
¿Se podrían ver? ¿Hay alguna forma de «escuchar» las vibraciones del espacio-tiempo?
Durante su vida, Einstein dudó de la existencia real de este fenómeno (¿quizás fuera un artefacto matemático, pero sin realización física?). Einstein no fue ni el primero ni el único físico en dudar de las consecuencias matemáticas de su teoría. Tuvo sus altibajos con sus compañeros y prestigiosas revistas científicas que dieron pie a historias muy interesantes.
Sea como fuere, y con la contribución de personalidades destacadas, finalmente se entendió que las ondas gravitacionales eran efectivamente una predicción real de la teoría.
Se analizaron sus propiedades y estaba por ver si la carrera tecnológica para comprobar experimentalmente su existencia estaba dando sus frutos.
Predicción confirmada: las ondas gravitacionales finalmente se «escucharon»
La amplitud de estas ondas es tan, tan extremadamente débil que el mismo Einstein no estaba muy seguro de que su detección fuera posible alguna vez.
Cada una de las pruebas a las que fue sometida la Relatividad General no fue capaz de encontrar discrepancias, pero no detectar ondas gravitacionales o detectarlas con propiedades diferentes a las teorizadas sería una demostración de que esta teoría no reproduce fielmente la realidad.
El éxito del desarrollo tecnológico tomó décadas, y de los habituales intentos fallidos que no siempre se mencionan en la ciencia, como los experimentos pioneros del físico Joseph Weber con barras resonantes en la década de 1960.
Los instrumentos que finalmente lograron superar este desafío son los interferómetros láser.
La primera detección de ondas gravitacionales tuvo lugar en 2015.
Fue llevado a cabo por los observatorios americanos LIGO y fue un hecho literalmente histórico.
Las ondas gravitatorias detectadas también se han relacionado con otra de las consecuencias de la Relatividad General: procedían de la fusión de dos agujeros negros de unas 36 y 29 veces la masa del Sol, y atravesaron los detectores tras viajar unos 1.300 millones de luz. años. .
El Observatorio Europeo de Virgo se unió a la recopilación de datos en el verano de 2017 con una detección triple de una fusión de estrellas de neutrones que incluía ondas gravitacionales en astronomía de múltiples mensajes (astronomía basada en el registro e interpretación simultáneos de múltiples señales del espacio). El observatorio KAGRA se unirá a la red global en el próximo período de observación, previsto para diciembre de este año.
Ya tenemos un total de 90 eventos confirmados, todos los cuales tienen como escenario astrofísico la fusión de dos objetos compactos: pares de agujeros negros, pares de estrellas de neutrones o pares mixtos de un agujero negro y una estrella de neutrones.
La puerta de la investigación está abierta a objetos compactos de diferente naturaleza, y las ondas gravitatorias que generan pueden darnos pistas sobre su estructura y propiedades. Estamos impacientes por ver las nuevas sorpresas que se avecinan.
La constante cosmológica: ¿el mayor «error» de Einstein?
En el capítulo de las predicciones de Einstein, no podemos olvidar la famosa constante cosmológica, que también generó contradicciones. Esta constante, sus propiedades y si es capaz de modelar fielmente la evolución y expansión del universo a la luz de los datos futuros es la página del libro que se está escribiendo en este momento.
Einstein introdujo esta constante en sus ecuaciones para forzar (debido a creencias personales) un modelo estático del universo, una especie de «energía repulsiva» sin la cual el universo eventualmente colapsaría debido al efecto de la propia gravedad.
Sin embargo, después de las observaciones del físico Edwin Hubble (1889-1953) en 1931 sobre la expansión del universo, Einstein consideró su propuesta como «el mayor error» de su trabajo científico. ¿Tenía razón?
El interés en la constante cosmológica introducida por Einstein resurgió nuevamente con las teorías cuánticas de campos, ya que predicen una energía de vacío que podría comportarse, a todos los efectos, como la constante cosmológica que él predijo.
Así que parece que Einstein, una vez más, lo hizo bien.
*Isabel Cordero Carrión es profesora e investigadora de la Facultad de Matemáticas de la Universidad de Valencia, España.
Este artículo fue publicado originalmente en el sitio de noticias académicas La conversación y republicado aquí bajo una licencia Creative Commons. Lea la versión original aquí (en español).
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