Las predicciones de Einstein confirmadas y las que seguimos explorando

Sus aportaciones en este campo merecieron el premio Nobel en Física, que le otorgaron en 1921 por el efecto fotoeléctrico.


Por: Isabel Cordero Carrión

Las predicciones de Albert Einstein aún siguen asombrando a la comunidad científica más de un siglo después de que las formulara, tanto las ya confirmadas como las que seguimos explorando.

Albert Einstein está en las primeras posiciones de la lista de los científicos más famosos e icónicos de la historia. Sus teorías de la Relatividad Especial de 1905 y de la Relatividad General de 1915 literalmente revolucionaron la física. Fue más allá de la teoría de la gravedad de Newton, que estuvo vigente desde 1687. Einstein introdujo además sus famosos experimentos mentales, que también pusieron a prueba los incipientes desarrollos de la mecánica cuántica. Sus aportaciones en este campo merecieron el premio Nobel en Física, que le otorgaron en 1921 por el efecto fotoeléctrico.

Mucha gente cree que el premio Nobel por la Relatividad General, que no le dieron, es una gran deuda pendiente. En esta nueva teoría, la gravedad se entiende como deformación o curvatura del espacio-tiempo, provocada por la distribución de masas y energías. Cuanta más masa se acumule en menos volumen, más se deforma o curva el espacio-tiempo a su alrededor. Cualquier otra partícula u objeto que pase cerca de estos objetos siente esta curvatura, lo cual hace que su trayectoria cambie.

Una de las predicciones de Einstein en la relatividad general fue que el espacio-tiempo no es ‘plano’ sino que está curvado por la presencia de cuerpos masivos. @Wikimedia Commons. CC BY

Predicción confirmada: el día que se observó la curvatura del espacio-tiempo

Algunas de las predicciones o consecuencias de la Relatividad General se pusieron a prueba en poco tiempo. En 1919, tan sólo 4 años tras la publicación de la teoría, tuvo lugar un eclipse total de Sol. Era el acontecimiento idóneo para poner a prueba la curvatura del espacio-tiempo.

Hubo varias expediciones científicas que viajaron hasta Brasil y la costa oeste africana para tomar las mejores fotografías y datos de ese eclipse y, sobre todo, de las estrellas que rodeaban el Sol.

El objeto más masivo y compacto que tenemos en nuestras cercanías 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 genera el Sol al pasar cerca de éste. Si fuera así, su trayectoria se desviaría ligeramente de una línea recta, haciendo que la posición aparente de la estrella en el cielo sufriera un pequeño cambio. La confirmación de este efecto, consistente con las medidas del eclipse de 1919, hizo a Einstein mundialmente famoso.

El día del eclipse en Sobral, en Brasil. Sólo un minuto antes de la cobertura total del Sol, el viento alejó las nubes y los investigadores tuvieron cerca de 4 minutos para hacer 27 fotografías del cielo, mostrando las 12 estrellas que planeaban observar Foto: Observatorio Nacional de Brasil. Observatorio Nacional de Brasil, CC BY

Las dudas de Einstein: las vibraciones del espacio-tiempo

Para demostrar experimentalmente otras predicciones de la Relatividad General hemos necesitado esperar bastante más tiempo. En 1916 Einstein comenzó a analizar con mucho detalle sus ecuaciones, y en particular una serie de términos que, tras una pequeña simplificación, se parecen enormemente a una ecuación de ondas: la misma estructura que aparece en múltiples sistemas físicos donde tenemos una perturbación que se propaga transportando energía.

En este caso, las ecuaciones dicen que lo que vibra es el propio espacio-tiempo, y a estas perturbaciones las llamamos ondas gravitatorias.

¿Podrían observarse? ¿Habría alguna manera de “escuchar” las vibraciones del espacio-tiempo?

Durante su vida, Einstein dudó sobre la existencia real de este fenómeno (¿sería quizás un artefacto matemático pero sin realización física?). Einstein no fue la primera ni la única eminencia en física que dudó de las consecuencias matemáticas de su teoría. Tuvo sus más y sus menos con colegas y prestigiosas revistas científicas que han dado lugar a interesantísimos relatos.

Sea como fuere, y con la contribución de destacadas personalidades, finalmente se entendió que efectivamente las ondas gravitatorias eran una predicción real de la teoría. Se analizaron las propiedades de las mismas y solamente quedaba por ver si la carrera tecnológica para comprobar experimentalmente su existencia daba sus frutos.

Predicción confirmada: las ondas gravitatorias se “escucharon” al fin

La amplitud de estas ondas es tan tan tan (se pueden poner todos los “tan” que se quieran) extremadamente débil que el propio Einstein no tenía mucha confianza en que fuese posible su detección algún día. Cada una de las pruebas a las que se sometía a la Relatividad General no era capaz de encontrar discrepancias, pero no detectar ondas gravitatorias o detectarlas con propiedades diferentes a las teorizadas supondría una demostración de que esta teoría no reproducía fielmente la realidad: el guante estaba echado.

El éxito del desarrollo tecnológico necesitó de décadas, y de los habituales intentos fallidos que en ciencia no siempre se mencionan, como los pioneros experimentos del físico Joseph Weber con las barras resonantes en los años 60.

Los instrumentos que han sido capaces de conseguir superar finalmente este reto son los interferómetros láser de brazos kilométricos.

La primera detección de ondas gravitatorias tuvo lugar en 2015, fue realizada por los observatorios estadounidenses LIGO y supuso un acontecimiento literalmente histórico.

Las ondas gravitatorias detectadas estaban asociadas además a 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 1300 millones de años-luz.

El observatorio europeo Virgo se unió a la toma de datos en el verano de 2017, con una triple detección de una fusión de estrellas de neutrones que incluyó a las ondas gravitatorias en la astronomía de multi-mensajeros. El observatorio KAGRA se unirá a la red global en el próximo periodo de observación, previsto para diciembre de este año.

Vista aérea del interferómetro Virgo (en Pisa, Italia), el proyecto internacional de observación de las ondas gravitatorias en el que participan expertos de la Universitat de València, entre ellos, la autora de este artículo. @Wikimedia commons. CC BY

Tenemos ya un total de 90 eventos confirmados, todos ellos tienen como escenario astrofísico la fusión de dos objetos compactos: parejas de agujeros negros, parejas de estrellas de neutrones o bien parejas mezcladas de un agujero negro y una estrella de neutrones.

La puerta de la investigación está abierta a objetos compactos de naturaleza diferente, y las ondas gravitatorias que generen nos pueden dar pistas sobre su estructura y propiedades. Estamos impacientes por ver las nuevas sorpresas que están por llegar.

La constante cosmológica: ¿la mayor “pifia” de Einstein?

En el capítulo de las predicciones de Einstein no podemos olvidar la famosa constante cosmológica, que también le generó contradicciones. Esta constante, sus propiedades y si es capaz de modelar fielmente la evolución y expansión del universo a la luz de futuros datos es la página del libro que se está escribiendo ahora mismo.

Einstein introdujo esta constante en sus ecuaciones para forzar (por creencias personales) un modelo de universo estático, una especie de “energía repulsiva” sin la cual el universo terminaría colapsando por el propio efecto de la gravedad.

Sin embargo, tras las observaciones en 1931 del físico Edwin Hubble sobre la expansión del universo, Einstein consideró su propuesta como “la mayor pifia” de su obra científica. ¿Lo era realmente?

El interés por la constante cosmológica que introdujo Einstein volvió a resurgir con las teorías cuánticas de campos, pues éstas predicen una energía de vacío que se puede comportar, a todos los efectos, como la constante cosmológica que predijo.

Así que parece que Einstein, de nuevo, volvió a acertar.

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