OcioCiencia 0.1

“Un genio es alguien que descubre que la piedra que cae y la Luna que gira representa un único y mismo fenómeno”. (E. Sábato)

La primera entrega tuvo una acogida que me dejó fascinado. A mi sugerencia de plantear cuestiones para continuar con la saga parece que nadie se acogió, ya que no se plasmó ni una sola pregunta. Pero qué malos sois. [Nota: cuando se escribió esto aún no había ninguna pregunta]. Bueno, digo “parece” porque es todo lo contrario: tenéis tantas que no sabéis por dónde empezar, ¿a que sí? Entonces os daré una segunda oportunidad, y aprovechadla, venga. Mientras tanto seguiremos con lo que prometí, y ya se sabe que lo prometido es deuda. Toca teoría de la Relatividad.

Si viajásemos unos cien años atrás en el tiempo veríamos que un tal Albert Einstein, primo de Frankenstein (no podía evitar el chiste), consiguió uno de los mayores logros del pensamiento humano. ¿De qué se trata? Pues de simplificar un problema que venía de mucho antes, cuando el Galileo Galilei que nos mencionaban en el cole demostró que bolas de distinto peso caían a la vez, según se dice, tirándolas desde la torre de Pisa. Es casi seguro que esta historia es una trola, aunque sí lo hizo lanzándolas sobre un plano inclinado.

Más en general, lo que les ocurre a una manzana, un piano o un cuerpo cualquiera (en el sentido físico) cuando sobre ellos actúa una fuerza está dicho en la segunda ley de Newton: todos se acelerarán a un ritmo proporcional a la fuerza y se desacelerarán según sean sus masas. Así, una misma fuerza actuando sobre un cuerpo A con el doble de masa que otro B le producirá a A la mitad de aceleración que a B.

Además de esas leyes, Newton descubrió una ley que describía la fuerza de la gravedad: todo cuerpo atrae a todos los demás cuerpos con una fuerza proporcional a la masa de cada uno de ellos, o lo que es lo mismo, cuanto más separados estén los cuerpos, menor será la fuerza gravitatoria entre ellos. Con una idea tan simple como ésta se predicen con gran fiabilidad las órbitas de la Tierra, la Luna y los planetas.

Hasta ahora todo bien, siempre hacemos nuestros trucos quietecitos. ¿Pero qué pasa si los hacemos en movimiento? Pues... ¡nada, todo va igual! Y ahí está el problema. A ver, si con los pajaritos del anuncio de Nike en la cabeza nos pusiéramos a jugar al fútbol en un tren en movimiento, veríamos que el balón sigue las leyes de Newton igual a como lo hiciera, como dicen los argentinos, en una cancha en tierra firme. Por lo tanto, ¡no hay forma de distinguir si es el tren o es la Tierra lo que se mueve!

Otro ejemplo. Si estiramos los dos brazos y empezamos a agitar el izquierdo, si tuviéramos un loro (echarle imaginación) en nuestro brazo derecho, éste vería que se mueve el brazo izquierdo. Pero si estuviera en el izquierdo y se moviera el izquierdo... ¡vería que se mueve el derecho! (porque el izquierdo se mueve con él y así permanece invariable). Esta falta de posición absoluta tuvo a Newton tan preocupado que hasta se negó a admitirla, pese a que sus leyes indicaban en esa dirección.

Newton en pleno siglo XVII, y al igual que el gran público de hoy día, creía en un tiempo absoluto, en que el tiempo pasa por igual para todo el mundo sin depender del espacio que ocupe cada cual. Sí, parece algo de sentido común. Sin embargo, aunque nuestras nociones de lo que parece ser el sentido común funcionan bien cuando se usan en el estudio del movimiento de las cosas que viajan relativamente lentas, tales como manzanas o planetas, no funcionan para nada cuando se aplican a cosas que se mueven a toda pastilla, cercanas a la velocidad de la luz, como los neutrinos. La verdad está más del lado de la Relatividad, como veremos pronto, y como a veces les digo a mis amigos, no es que la Relatividad vaya contra el sentido común, es que el sentido común va contra la Relatividad :-)

Recordemos que la luz viaja a una velocidad muy, muy elevada, pero finita, y esto se sabe desde el año 1676 gracias al astrónomo Roemer. No obstante, una teoría de la propagación de la luz en condiciones no surgió hasta 1865, cuando el físico Maxwell consiguió unificar las teorías que se usaban para la electricidad y el magnetismo. Según las ecuaciones de Maxwell, la luz debía viajar a una velocidad fija determinada. Como la teoría de Newton se había alejado de un sistema de referencia absoluto, había que especificar con respecto a qué sistema de referencia se medía esa velocidad fija de la luz. Para que esto tuviera sentido, se sugirió la existencia de una sustancia que estaba presente en todo (como la Fuerza de los jedi) llamada éter. La luz debía viajar a través del éter al igual que el polen a través del aire o las olas a través del mar.

Poco más tarde, en una de las hazañas más importantes de la Física (aunque menos reconocidas), el polaco Michelson y el estadounidense Morley compararon la velocidad de la luz en la dirección del movimiento de la Tierra y luego en la dirección perpendicular a dicho movimiento... ¡y vieron que esa velocidad en ambas direcciones era exactamente la misma! Durante casi dos décadas hubo diversos intentos de relacionar el resultado de este experimento con el éter. Así, por narices. Y aquí llega la simplificación de Einstein que mencionaba al comienzo: podemos olvidarnos del éter si también estamos dispuestos a olvidarnos de un tiempo absoluto. ¿Comor?

Sí, a ver, la idea inamovible y básica de la teoría de la Relatividad es que las leyes de la Ciencia deben ser las mismas para todos independientemente de la velocidad a la que nos movamos (voluntaria o involuntariamente). Esto ya era cierto para las leyes de Newton, pero ahora lo extendemos a la teoría de Maxwell y a la velocidad de la luz: todo hijo del vecino debería medir la misma velocidad de la luz sin importar la rapidez con la que se estuviera moviendo.

Esta simplificación tiene algunas consecuencias extraordinarias. Quizás la más conocida sea la equivalencia masa-energía resumida en la famosa ecuación E = mc2 (E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz). Cuando la velocidad de un objeto se aproxima a la velocidad de la luz, su masa aumenta de forma que cada vez cuesta más energía acelerarlo. De hecho nunca puede alcanzar la velocidad de la luz, porque entonces su masa habría llegado a ser infinita y, por la equivalencia masa-energía, eso habría costado una cantidad infinita de energía. Por esta razón, cualquier cosa que no sea la luz debe moverse siempre a velocidades menores que la de la luz (aunque en los cómics Flash sí pueda).

Pero lo importante para nosotros ahora es quedarse con la idea de que para cargarse al éter la teoría de la Relatividad acabó con la idea de un tiempo absoluto. Cada observador debe tener su propia medida del tiempo, que es la que indicaría un reloj que va con él. Por ello Einstein decía “en mis teorías sitúo un reloj en cada punto del espacio, pero en la vida real apenas puedo permitirme el lujo de comprarme uno para mi casa”.

En fin, que en vez del metro podríamos usar una nueva medida de longitud llamada el segundo-luz (la distancia que recorre la luz en un segundo) y no hay necesidad de meter con calzador un éter cuya existencia no podemos probar. Así son las cosas, ¿por qué separar al tiempo del espacio? ¿Para qué condenarlos a verse sin tocarse? ¿No tenéis sentimientos? ¡Dejadlos juntitos de la mano, formando el espacio-tiempo!

Retomando lo de Galileo, eso de que si al lanzar dos cuerpos en la Tierra o en el espacio, ambos caerían a la vez, la simplificación de Einstein nos dice que si ambas situaciones (una con gravedad y la otra con movimiento acelerado) son parecidas, es porque son la misma. De ello se obtiene que la gravedad no es otra cosa que un movimiento acelerado. Esto nos lleva a una idea no menos curiosa: las cosas no caen porque la Tierra atraiga a los cuerpos, sino que caen... ¡porque no hay nada que las mantenga en el aire! De hecho, ¡todo está cayendo! Sí, desde la Luna hasta las manzanas, pasando por los cometas, nosotros mismos, los planetas y las galaxias. Ay, como dijera Einstein, “todo debería ser hecho tan simple como posible, pero no más simple”.

La pregunta que ahora cabe hacerse es ¿hacia dónde cae todo? Bueno, si nos fijamos un poquito veremos que las cosas al caer siguen una trayectoria de mínima distancia que en el argot físico/matemático se conoce como geodésica. En un plano una geodésica es una recta, mientras que en una esfera es una circunferencia máxima (el “aro” que forma la intersección de la esfera con un plano que pase por el centro de esa esfera). De modo inverso, sabiendo el tipo de geodésica que describe algo en el universo, como un planeta, podemos intuir qué forma tiene el universo (he dicho intuir, que no saber, no seamos eufóricos).

¿Y qué geodésica describen los planetas? La respuesta la dio el astrónomo Kepler: formando elipses, vamos, óvalos, para que nos entendamos. Es decir, las geodésicas son elipses, luego el universo (el espacio-tiempo) está tan, tan, tan curvado que sus “rectas” están ovaladísimas, y los planetas no llegan a caer nunca a ningún sitio, simplemente no dejan de caer en su giro (de translación) infinito. Si os resulta difícil de aceptar, salvando las distancias pensad en El Señor de los Anillos, en concreto en Melkor, que tras ser desterrado está en una caída sin fin (aunque como su trayectoria es recta, debe haber algo que lo atraiga... Un despiste de Tolkien, da igual).

¿Pero por qué el espacio-tiempo está curvado? Ah, la pregunta del millón. ¿Y qué forma tiene? Ah, la pregunta del millón que da acceso al panel final y ganar el coche. Podría tener forma de elipsoide, forma de donut (en claro homenaje a Homer) o podría tener una forma rarísima, como una bola mal hecha de plastilina. No lo sabemos, pero respecto al motivo de por qué está tan curvado, Einstein, tras ocho duros años de trabajo con ecuaciones (incluyendo al tensor de curvatura de Riemann, que tiene doscientos cincuenta y seis componentes que calcular), dio con los culpables: la masa y la energía. Y aquí también, sobre todo, son los culpables hasta que se demuestre lo contrario.

Entre los asistentes a una conferencia que el físico ofreció en el verano de 1915 se hallaba el gran matemático alemán David Hilbert. Éste se puso manos a la obra para resolver el problema y llegó a las mismas ecuaciones por su cuenta, lo cual da cierta tranquilidad. En total son diez ecuaciones independientes donde el lado izquierdo indica de qué modo está curvado el espacio-tiempo en un punto concreto, mientras que el derecho se refiere a los factores que hacen que el espacio-tiempo se curve: la densidad, la presión, la tensión y un largo etcétera en dicho punto.

Con estas ecuaciones, la teoría de la Relatividad volvía a hacer algunas predicciones notables. Por ejemplo, el hecho de que los planetas se movieran a lo largo de geodésicas explicaba con exactitud una peculiaridad muy conocida de la órbita de Mercurio que hasta entonces no podía explicarse con las ideas de Newton. A ese fenómeno se le llama precesión del perihelio de Mercurio, que para que no saturar al Google, explicaré ahora rapidito. En primer lugar el perihelio de un planeta es el punto en el que está más cerca del Sol. En segundo lugar, con Mercurio pasa que ese perihelio va variando, y a eso se le llama precesión del perihelio. Ese cambio de sitio en el perihelio volvió locos a los científicos, que llegaron incluso a suponer que había un planeta más (siendo muy trekkies lo llamaron Vulcano, como el de Mr Spock) en nuestro sistema solar alterando el movimiento del resto y haciendo de las suyas. Pero bueno, la Relatividad consiguió explicar esa precesión sin suponer planetas no descubiertos y, de hecho, fue la primera gran confirmación experimental de que Einstein llevaba razón.

Además de esa, hay otra predicción notable: los rayos de luz se curvan al pasar cerca del Sol, algo comprobado tras tomar una fotografía de las estrellas próximas al Sol durante un eclipse total (que es el único momento en que pueden ser observadas) y compararla con otra de la misma región del cielo tomada cuando el astro solar se halla en el lado opuesto. En concreto, esto se probó en el eclipse total del 29 de mayo de 1919. Al día siguiente los periódicos ponían en sus titulares “Revolución en la Ciencia”. Y por cierto, al día siguiente nacía la revista deportiva El Gráfico, la más antigua de Argentina.

Toda esta teoría de la Relatividad (más conocida como teoría de la Relatividad Especial) tuvo un gran éxito. Sin embargo, era inconsistente con la gravedad que nos menciona Newton. Por ello, también Einstein propuso lo que hoy se conoce como teoría de la Relatividad General, haciendo la sugerencia de que la gravedad no es una fuerza sino una consecuencia de que el espacio-tiempo no sea plano (como ya hemos dicho, está curvado por la masa y la energía en él presente).

En las décadas siguientes al descubrimiento de la Relatividad General, estos nuevos conceptos de espacio y tiempo juntitos y curvados revolucionaron nuestra imagen del universo. La vieja idea de un universo inalterable que podía haber existido y continuar existiendo por siempre fue reemplazada por el concepto de un universo en expansión, que parecía haber comenzado hace cierto tiempo y que podía acabar en un futuro (y tranquilos que si es así no pillará a la humanidad).

¿Y qué pasa con la gravedad? No existe. Ea, ¿cómo os quedáis? La gravedad es una mentira. Asimiladlo. Y si por decir algo así os suspende el profe de Física, le decís que venga a verme. Bueno, mejor no comentarle nada de esto, que la gravedad sigue siendo una invención útil (a escalas pequeñas, en los fenómenos que ocurren en la Tierra sin llegar a tocar cosas como galaxias o agujeros negros).

Pasó que Newton, además de Física y Alquimia, había estudiado mucha Filosofía. Por ello, tenía un sentido didáctico muy avanzado en su tiempo: para explicar los fenómenos que veía se imaginó una nueva fuerza, la gravedad, y, sin creer en ella, empezó a mencionarla en sus libros para así enseñar a los demás por qué las cosas funcionaban como lo hacían. El problema vino después, cuando los científicos que le siguieron tomaron como cierto que existía la gravedad. Pero bueno, nosotros ya no estamos en el siglo XVII, ¿no? Somos del siglo XXI, y lo mismo que sabemos que la Tierra no es plana, sabemos que la gravedad no existe, únicamente lo que hay es una curvatura en nuestro espacio-tiempo...