LA FISICA, ANTES Y DESPUES DE EINSTEIN En este año 2005, en que celebramos los 100 años de la Teoría de la Relatividad (por lo que las Naciones Unidas lo ha designado el “Año Mundial de la Física”), conmemoramos también otro hecho importante: hace exactamente 50 años, el 18 de abril de 1955, murió en Princeton, Estados Unidos, el creador de dicha teoría, Albert Einstein. PROFISICA reproduce a continuación un artículo escrito por nuestro colaborador, Profesor Jorge Ossandón, que se refiere a la fecundidad de las ideas propuestas por Einstein y al impacto profundo que ellas tuvieron en la historia del conocimiento humano . Pocas veces se ha dado en la historia de la Humanidad un hombre, que actuando prácticamente solo, y a menudo en contra de la opinión de sus contemporáneos, haya hecho un aporte individual al conocimiento científico de magnitud y trascendencia tal que la historia del Pensamiento Humano puede dividirse entre antes y después de él. Por otra parte, el desarrollo gigantesco del conocimiento hace cada vez más difícil que un solo hombre pueda individualmente marcar un hito en la historia, de modo que hoy en día son los equipos humanos, las escuelas, e incluso las generaciones, los que imprimen los grandes cambios. Es por eso que resulta realmente sorprendente que en pleno siglo XX tengamos un caso de genio individual que por la solidez de sus planteamientos, la profundidad de sus teorías, y la trascendencia de sus conclusiones, se sitúa en la Filosofía Natural a la altura de Isaac Newton, el Padre de la Física Clásica. Al igual que Newton, el joven Einstein abre nuevos campos al conocimiento humano, explora nuevas tierras y muestra el camino hacia mundos completamente nuevos del Pensamiento, como lo es por ejemplo la Cosmología Moderna, el estudio y comprensión del Universo en su globalidad. SU OBRA: UN RUMBO NUEVO Las primeras publicaciones científicas de Albert Einstein aparecen en 1901, a la edad de 22 años. Su principal aporte es una nueva fundamentación de la Termodinámica Estadística, sobre bases más profundas que las de sus predecesores. Como consecuencia de este análisis, publica Einstein en 1905 un importante trabajo en el cual propone una prueba decisiva para confirmar la existencia de las moléculas, a través de la observación rigurosa del llamado Movimiento Browniano. Las observaciones experimentales confirmaron plenamente las proposiciones de Einstein y constituyeron la prueba definitiva de la estructura molecular de la materia. En el mismo año 1905, Albert Einstein publica otro trabajo por el cual le fue concedido posteriormente el Premio Nobel de Física. Se trata de una nueva teoría sobre la naturaleza de la luz, que permitió explicar el enigma del efecto fotoeléctrico. Esta nueva teoría es de tal trascendencia que se constituye rápidamente en uno de los pilares básicos de la moderna Física Cuántica, iniciada por Max Planck en 1900. Pero Einstein no sólo da un espaldarazo decisivo a Max Planck, sino además introduce un concepto revolucionario en la filosofía de la naturaleza: la dualidad "onda-corpúsculo", cuyo exponente primero es el "fotón". Como si lo anterior fuera poco, el 16 de Junio del mismo año 1905, Albert Einstein entrega una colaboración científica que pasará a ser una de las creaciones intelectuales más originales y admirables de la historia. Se trata de la famosa Teoría de la Relatividad Especial. Partiendo de principios lógicos, Einstein revoluciona los conceptos básicos de espacio y tiempo, supera ampliamente la física de Newton y de una plumada resuelve el viejo antagonismo provocado por la hipótesis del "éter". En 1908 Einstein establece la moderna teoría del Estado Sólido - una de las principales ramas de la Física actual - al explicar el anómalo comportamiento a bajas temperaturas del calor específico de los cristales. Entre 1908 y 1916 Einstein se dedica por entero a elaborar su obra cumbre, la Teoría General de la Relatividad, considerada como el esquema conceptual más global y profundo que haya elaborado el ser humano para interpretar el mundo físico. Esta teoría unifica en un sólo conjunto de ecuaciones, toda la mecánica clásica y relativista, la óptica, el electromagnetismo y la gravitación, quedando fuera de su alcance únicamente los fenómenos cuánticos de la física atómica. Es tan grandiosa la estructura lógica y el alcance de esta teoría, que al año siguiente, 1917, Einstein ya está en condiciones de proponer un modelo matemático para el universo en su totalidad, dando origen a otra rama fundamental de la física contemporánea, la Cosmología Moderna. Pero en ese mismo año, 1917, aparece otra colaboración de Einstein, en un campo completamente distinto, a saber, la teoría cuántica de la emisión de la luz. En este trabajo, Einstein introduce la idea de "probabilidad de transición", punto de partida de la actual interpretación probabilística de los fenómenos atómicos. Asimismo, postula el proceso de "emisión estimulada", que 40 años más tarde sería plenamente confirmado con el descubrimiento del Rayo LÁSER. En 1924 otro trabajo fundamental establece la llamada "estadística de Bose-Einstein", que describe el comportamiento estadístico de la luz. Desde entonces, y hasta su muerte, el gran sabio trató infructuosamente de crear una teoría del Campo Unificado, de la cual se desprendieran no sólo sus teorías anteriores, sino también la naturaleza cuántica de los fenómenos atómicos, objetivo que aún no ha sido logrado. LARGO CAMINO AL EXITO Es tan original y audaz la obra de Einstein, que costó mucho que sus ideas y resultados fueran aceptados por la comunidad científica de la época, menos aún por el gran público. En 1907 se presentó a un cargo académico en la Universidad de Berna pero fue rechazado, porque su publicación sobre la teoría de la Relatividad fue considerada inadmisible. Seis años debió trabajar en la oficina de patentes, hasta que en 1909 logró un cargo docente en la Universidad de Zurich. Sólo dos alumnos se inscribieron en su primer curso. Cuatro años más tarde, en 1913, los físicos más importantes de Alemania, entre ellos Max Planck, solicitaron en carta pública al rector de la Universidad de Berlín que contratara como investigador al joven Albert Einstein, "pese a su errada teoría fotónica de la luz". Paradojalmente, Einstein recibiría, en 1922 el Premio Nobel de Física por esta misma teoría, pero no por su obra más célebre, la teoría de la Relatividad, todavía demasiado controversial a casi dos décadas de haber sido publicada. Sin embargo, Einstein ha triunfado plenamente. Su teoría de la Relatividad es actualmente una de las herramientas más firmes de la Física Atómica y Nuclear. Sus resultados se confirman a diario. Ya en 1916 Arnold Sommerfeld corroboró el aumento de la masa con la velocidad de los electrones en sus estudios sobre la estructura fina de los espectros atómicos. Actualmente los gigantescos aceleradores de partículas - como los ciclotrones de varios kilómetros de diámetro que hay en Europa, Rusia y EE.UU.- muestran que dicha ley se cumple rigurosamente para todas las partículas atómicas hasta las velocidades más altas obtenidas, de aproximadamente 99,999 % de la velocidad de la luz en vacío. La dilatación del tiempo que afecta a los cuerpos en movimiento fue comprobada en los rayos cósmicos y ha sido confirmada directamente con relojes atómicos en órbitas espaciales y con experimentos de absorción de rayos gama realizados en Tierra. Hoy en día los dispositivos de posicionamiento global (GPS) son una aplicación práctica y una confirmación directa de esta ley. La contracción de los cuerpos con la velocidad (llamada “contracción de Lorentz”) está no sólo plenamente confirmada después de los exhaustivos e infructuosos experimentos realizados por Michelson y Morley, sino también en fenómenos de colisión de partículas. La deformación que este efecto provoca sobre los campos eléctricos de cargas en movimiento, constituye, además, una de las causas de la existencia del campo magnético. La constancia de la velocidad de la luz (o de toda onda electromagnética) en el vacío es una ley fundamental que ha sido confirmada con la máxima precisión que permiten los instrumentos actuales. ¡Se sabe, por ejemplo, con una exactitud de una parte en diez elevado a veinte, que dicha velocidad no depende de la frecuencia de las ondas o del color de la luz! La imposibilidad de superar la velocidad de la luz en vacío para los cuerpos materiales es otra afirmación corroborada por los experimentos en los aceleradores de partículas. Hasta este momento no ha sido detectado ningún fenómeno atómico o nuclear que viole esta ley. Otra de las conclusiones de la teoría de la relatividad, a saber, la famosa relación entre la masa y la energía (E = m c2) se cumple con precisión extraordinaria en todos los fenómenos de desintegración nuclear y aún en forma mucho más dramática se comprueba en la creación y aniquilación de partículas de materia y antimateria. La teoría especial de la relatividad tiene a su haber aún otro resultado notable: utilizada magistralmente por Dirac para el estudio cuántico-relativista del electrón, no sólo dio cuenta de una de las más extrañas propiedades de esta partícula, el llamado "spin", sino además le permitió a éste predecir la existencia de la “antimateria”, sorprendente forma de la materia, que no existe naturalmente en nuestra galaxia, pero parece existir en otras galaxias y, en todo caso, surge con dramática presencia en los experimentos de colisiones atómicas de laboratorio. Otro de los grandes triunfos de Einstein es su notable teoría fotónica de la luz, cuyo producto más importante es el rayo LÁSER, predicho por Einstein en 1918 y fabricado tan sólo en 1960. ¡Las modernas técnicas experimentales han permitido incluso fotografiar paquetes de fotones! El fotón - o partícula de luz - es el primer exponente del dualismo onda-corpúsculo de la materia. Su comportamiento ondulatorio está avalado por toda la óptica clásica. Su comportamiento corpuscular en cambio se manifiesta en todos los procesos de emisión y absorción de luz, en el efecto fotoeléctrico, en el efecto Compton, en el efecto Mössbauer, en fin en toda la óptica cuántica. Más aún, el carácter corpuscular de la luz queda al desnudo total en la creación y aniquilación de materia y antimateria. Quizás la más significativa (y controversial) de las contribuciones de Einstein sea su famosa Teoría General de la Relatividad, o Teoría de la Gravitación, que es una extensión de los supuestos relativistas al caso de sistemas de referencia acelerados. Sin embargo, aquí también su autor continúa logrando los más notables éxitos. La igualdad entre la masa inercial y la masa gravitacional de un mismo cuerpo ha sido confirmada por Dicke con una precisión de una parte en diez elevado a once. El retardo del ritmo del tiempo provocado por la existencia de un campo gravitatorio ha sido medido directamente por Pound y Rebka en la Torre de Harvard usando absorción resonante de rayos gama (o efecto Mössbauer) entre núcleos atómicos colocados entre sí a un desnivel de 20 metros. Basta tan solo esta pequeña diferencia de potencial gravitatorio para que la emisión y absorción de rayos gama muestre una pérdida de sincronización, al diferenciarse el ritmo del tiempo entre los núcleos emisores y los receptores. El impacto de la gravedad sobre la geometría, o “curvatura del espacio”, que fuera predicha por Einstein en 1916, fue confirmada por el astrónomo inglés Eddington al observar el corrimiento de las estrellas fijas durante el famoso eclipse solar de 1919, con un margen de error de más o menos 30 por ciento. Actualmente, la moderna técnica de interferometría con radiotelescopios colocados en distintos lugares de la Tierra, así como los experimentos de interferometría con Rayos X, han permitido confirmar el valor predicho por Einstein con un margen de error menor que el 1 por ciento. La curvatura del espacio se ha puesto de manifiesto también por el efecto de "lente gravitacional" con que algunas galaxias distorsionan la imagen de objetos celestes más antiguos que están detrás de ellas. Experimentos directos con satélites artificiales en órbita solar han comprobado otro efecto predicho por la teoría, a saber, el retardo que experimentan las señales de radio al pasar cerca del sol (efecto Shapiro) Pero los éxitos más notables de la Teoría General de la Relatividad están en los modelos cosmológicos que de ella se desprenden. Así por ejemplo, las observaciones astronómicas realizadas con los más potentes telescopios, como el de Monte Palomar, permitieron descubrir, en los confines del universo visible, enigmáticas galaxias - o "cuásares" - que se alejan de nosotros a velocidades cercanas a la de la luz, en perfecta concordancia con el modelo general relativista de la expansión del universo. Por otra parte, Penzías y Wilson detectaron en 1965 la misteriosa radiación de microondas que llena todo el espacio, llamada "radiación residual (o remanente)" la cual se considera - según el modelo de Gamow, basado en la teoría de la gravitación de Einstein - como un testigo directo de la explosión inicial que dio origen al universo hace unos quince mil millones de años. Los rítmicos "pulsares", o estrellas neutrónicas que emiten señales de radio pulsantes - descubiertos en medio de la expectación del mundo científico en 1967 - confirmaron también otro efecto predicho por la teoría a saber, el "colapso gravitatorio". Más aún, sistemas binarios de estrellas neutrónicas en interacción muestran una pérdida de energía atribuible a la emisión de “ondas gravitacionales”, cuya existencia, crucial para la teoría, aún no ha sido confirmada directamente. Pero el más sensacional de los resultados cosmológicos que se desprenden de la Relatividad General es la existencia de "agujeros negros", o centros de atracción gravitacional tan intensos que toda materia o energía que cae en ellos no puede ser re-emitida. Son verdaderos "sumideros" de la materia, de unos pocos kilómetros de diámetro, pero con masas varias veces superiores a la del sol. La evidencia empírica lograda en los últimos años señala que hay diversos objetos en el firmamento cuyo comportamiento denota la presencia de objetos con todas las características fantásticas de "agujeros negros". Más aún, al parecer todas las galaxias como la Vía Láctea contienen un agujero negro “super masivo” en su centro, con masa equivalente a millones de estrellas, el cual forma parte constitutiva del sistema galáctico. ANTES Y DESPUES DE EINSTEIN Al comenzar el siglo XXI, luego de la formidable explosión científica y tecnológica que caracterizó a la centuria anterior, la comunidad científica internacional puede valorar cada vez mejor la trascendencia de las ideas de Albert Einstein, más aún considerando que la propia naturaleza ha salido en apoyo de la Teoría de la Relatividad en las numerosas ocasiones en que ha sido interrogada. Hoy en día la visión cosmológica surgida de la Relatividad es de aceptación común en el ámbito científico y nadie discute su plena validez en los fenómenos de alta energía, tanto del microcosmos como del macrocosmos. A partir de Einstein sabemos que el espacio y el tiempo no son entes absolutos, con existencia propia, inmutables, infinitos, independientes entre sí e independientes del acontecer físico que ocurre en ellos, como postulaba Newton en sus "Principios Matemáticos de la Filosofía Natural". Según la Física Clásica, las propiedades métricas del espacio y del tiempo, vale decir, la longitud entre dos puntos, el lapso entre dos eventos, etc., no pueden depender del sistema de referencia utilizado para medirlas. Por eso Newton basa su teoría en la existencia de un sistema de referencia inercial absoluto. Asimismo, según los conceptos clásicos, todos aquellos fenómenos simultáneos que ocurren en un momento dado dentro del espacio, cualquiera sea su ubicación, son simultáneos mirados desde cualquier sistema de referencia. El tiempo transcurre igual para todos los puntos del universo, por lo que se habla de un “tiempo universal”. Sin embargo Einstein demostró que, contrariamente a los supuestos anteriores, las propiedades métricas del espacio y del tiempo, sí dependen del estado de movimiento del observador. La longitud entre dos puntos distintos A y B no es la misma para dos observadores que se mueven con diferentes velocidades entre sí, aunque usen la misma vara de medida. Lo mismo ocurre con un lapso de tiempo entre dos eventos. Aquel observador que viaja a mayor velocidad relativa, medirá una distancia más corta en la dirección del movimiento ("contracción de Lorentz") y registrará asimismo un lapso más pequeño ("dilatación del tiempo"). Debido a la relatividad de todo movimiento - consecuencia del hecho de que no existe un sistema de referencia que esté absolutamente en reposo - los fenómenos recién descritos valen también para el caso inverso, o sea, para el caso en que el observador esté detenido en el laboratorio y sean los objetos y relojes los que se mueven a gran velocidad. La longitud de los objetos en la dirección del movimiento, al ser medida desde el laboratorio, resulta ser menor que si estos estuvieran quietos, y será tanto menor cuanto mayor sea su velocidad. Asimismo, el tiempo que registran los relojes en movimiento transcurre más lentamente que el que marcan relojes similares en el laboratorio, tanto más lentamente cuanto mayor sea su velocidad. Antes de Einstein se creía en la simultaneidad del tiempo. Después de Einstein sabemos que dos eventos simultáneos con respecto a un sistema de referencia no serán simultáneos al ser medidos desde un segundo sistema de referencia que se mueve respecto del primero. Incluso dos eventos independientes 1 y 2 que ocurren en dos tiempos distintos t1 y t2 en dos puntos diferentes A y B del espacio pueden ser observados con distinta secuencia desde dos sistemas de referencia en movimiento relativo. En efecto, el evento que aparece anterior mirado por un observador puede ser visto como posterior por otro observador que se mueve respecto del primero. ¿Vulnera esto el Principio de Causalidad? No. Si los eventos están conectados causalmente, o sea, si uno es efecto del otro, se requiere un lapso a lo menos igual a AB/c para que la causa desde A propague su efecto hasta B. No existe propagación instantánea de efectos. Todo efecto puede propagarse a lo sumo con la velocidad de la luz en vacío “c”. Pero este lapso AB/c es suficientemente largo como para que no pueda ser anulado por la relatividad del tiempo. Así, dos eventos conectados causalmente en un sistema de referencia lo estarán siempre, cualquiera sea el movimiento del observador que los registra. El espacio y el tiempo constituyen una unidad absoluta de cuatro dimensiones, el "espacio- tiempo", en el cual ocurren todos los fenómenos, pero la separación entre el espacio de 3 dimensiones y el tiempo (o cuarta dimensión) es un recurso útil para describir el movimiento, pero no es única, sino multifacética, puesto que depende del estado de movimiento del observador. Antes de Einstein se creía que la masa y la energía de cada partícula material eran propiedades independientes entre si; la primera de ellas invariable e inherente a la partícula, mientras la segunda variable y dependiente del estado de movimiento. Ambas cumplían leyes de conservación separadas: la conservación de la masa (Ley de Lavoisier) y la conservación de la energía (Ley de Helmholtz). Einstein demostró que los conceptos de masa y energía están directamente relacionados. La masa es una forma de la energía. Al aumentar la velocidad de una partícula en relación al observador, éste registrará no sólo un aumento de energía sino además un aumento de masa. La partícula se hará tanto más pesada cuanto mayor sea su velocidad, de manera tal que la masa tiende a infinito cuando la partícula acelera hasta la velocidad de la luz en vacío. Masa y energía forman así un conjunto inseparable, una propiedad cuatridimensional de la partícula, la cual puede expresarse matemáticamente en el llamado "Tensor de Energía-Impulso". La masa puede transformarse en energía y la energía en masa. Ambas son manifestaciones equivalentes de la materia. Se relacionan entre sí a través del cuadrado de la velocidad de la luz, según la famosa fórmula: E = mc2. Hay, por lo tanto, sólo una ley de conservación, que vale para la suma de masa y energía, en la cual se fusionan las leyes de Helmholtz y Lavoisier. Antes de Einstein se suponía que un objeto podía acelerarse indefinidamente, hasta alcanzar cualquier velocidad. Ahora sabemos que ello es imposible. La máxima velocidad alcanzable es c, la velocidad de la luz en vacío. Al moverse a 300.000 km/seg, la masa del objeto se hace infinita, su longitud se reduce a cero y el tiempo deja de transcurrir en él (o sea, no envejece!). En la Naturaleza, sólo algunas partículas muy especiales pueden alcanzar la velocidad de la luz. Son partículas "inmateriales", de "campo puro" - como los fotones, neutrinos, gravitones - que no pueden existir a velocidad menor que c porque no tienen masa en reposo. Antes de Einstein se creía que el espacio está lleno de "éter", sustancia distinta de la materia, que vibra con las ondas electromagnéticas y permite que la luz se propague. Según la física tradicional el "éter" debía ser imponderable (o sea, sin masa), transparente al paso de la materia, infinitamente elástico y no absorber energía; su estructura y naturaleza por lo tanto era un misterio, sin embargo, su presencia era indispensable para conciliar el punto de vista mecánico con la propagación de los fenómenos electromagnéticos. Dado que el éter se suponía fijo en el espacio absoluto y que la luz se propaga en él con una determinada velocidad, la velocidad de la luz que sería medida por distintos observadores tendría que depender del estado de movimiento de dichos observadores, al igual que la velocidad de propagación de una ola en el mar, medida desde una lancha, depende del movimiento de la lancha. Así Maxwell, creador de la teoría electromagnética, poco antes de morir en 1879, propuso que podría medirse el movimiento absoluto de la Tierra en el Universo, con sólo medir la velocidad de la luz tanto en la dirección de avance de la Tierra como en la dirección opuesta, y dividir por 2 la diferencia entre ambos valores. Este fue el desafío que decidió afrontar el físico norteamericano Albert Michelson a los 26 años, ideando para ello un interferómetro de gran precisión. Repitiendo el experimento en numerosas ocasiones, cada vez con mayor precisión, tanto él como sus colaboradores, Morley y otros, encontraron siempre el mismo valor para la velocidad de la luz, cualquiera fuera la orientación del interferómetro y el mo- vimiento de la Tierra sobre sí misma o en su órbita alrededor del sol. El fracaso del experimento de Michelson no pudo ser explicado por la Física tradicional, pese a los ingeniosos intentos de Fitzgerald y Lorentz. La velocidad de la luz en vacío resulta ser siempre la misma (300.000 km/seg), medida desde cualquier sistema de referencia, independientemente del movimiento de la fuente o del observador. Einstein comprendió que ésta era una ley básica de la Naturaleza, y que la falla no estaba en ella sino en la Mecánica de Newton. Supongamos un rayo de luz que avanza en la misma dirección en que se mueve un tren. Si un pasajero del tren con sus instrumentos mide la velocidad del rayo, encontrará el mismo valor de 300.000 km/s que registra un experimentador en tierra. Este hecho es evidentemente incompatible con la Mecánica de Newton. Dado que podemos elegir infinitos sistemas de referencia similares al tren en cuestión, todos con distintas velocidades, y en cada uno de ellos la luz se mueve con la misma velocidad, tendríamos que inferir, si nos atenemos a las ideas clásicas, que hay infinitos tipos de éter distintos, cada uno ligado a un sistema de referencia particular. Si la existencia del éter provocaba dificultades teóricas, la existencia de infinitos de ellos resultaba insostenible, de modo que Einstein elimina de plano la hipótesis del éter y asevera en cambio la presencia del Campo Electromagnético, con existencia propia - sin requerir del éter para sustentarse - con energía, inercia e impulsos propios, como una forma de manifestación de la materia. TEORIA DE LA GRAVITACION Antes de Einstein se suponía que la gravitación universal, o atracción mutua de todos los cuerpos de la Naturaleza, se realizaba a través de fuerzas que actuaban instantáneamente allí donde se encontraren las partículas, dirigidas recíprocamente entre unas y otras. No se requería para la interacción gravitatoria un "éter" o medio de propagación similar al electromagnetismo, porque las fuerzas actuaban "a distancia". A partir de Einstein sabemos que la gravitación no es instantánea, que constituye un "campo", que existen en éste ondas gravitacionales, y que sus efectos se propagan con velocidad igual a “c”. Sabemos además que la gravitación afecta al espacio y al tiempo. El espacio y el tiempo no son ajenos a lo que acontece en ellos. Aparte de los fenómenos de contracción y dilatación provocados por el movimiento (y descritos por la Teoría Especial de la Relatividad) existen otras alteraciones en las propiedades métricas del espacio y del tiempo provocadas por la mera presencia de la materia. Desde Euclides, en el siglo III A.C., se suponía que el espacio, en toda su inmensidad, cumplía con los postulados geométricos de Euclides, a saber (entre otros), que la suma de los ángulos interiores de un triángulo es siempre igual a 180 grados, que la relación entre el perímetro y el diámetro de un círculo es siempre igual al número Pi (= 3,14159...), etcétera. Sin embargo, Einstein demostró que esto no era siempre así. En presencia de materia, las propiedades geométricas del espacio no son "planas", en el sentido estrictamente euclideano, sino corresponden más bien a las de una geometría "curva", como la que rige sobre la superficie de una esfera. Sobre una esfera, por ejemplo, la suma de los ángulos interiores de un triángulo es mayor que 180 grados y la relación entre el perímetro y el diámetro de un círculo es menor que Pi. Estos datos podrían permitir, por ejemplo, a geómetras que viven en la superficie de una inmensa esfera determinar que su tierra no es plana sino redonda, sin tener que conocer la totalidad del globo en que viven. En el espacio interestelar son los rayos de luz los que determinan las distancias más cortas entre dos puntos, o sea, las líneas "rectas", puesto que la luz avanza entre dos puntos de acuerdo siempre al Principio de Fermat, optimizando el tiempo requerido. Si construimos un triángulo de grandes dimensiones, que contenga al sol en su plano interior, utilizando señales luminosas entre los vértices, encontraremos que la suma de los ángulos interiores del triángulo es mayor que 180 grados. En efecto, el fuerte campo gravitatorio que rodea a la estrella impide que la luz se propague en línea recta y modifica la geometría del espacio alrededor. Lo mismo ocurre con el tiempo. También éste se ve alterado por la gravitación. El conjunto de efectos que la gravitación provoca sobre el espacio y el tiempo constituye la llamada "curvatura del espacio-tiempo", resultado fundamental de la Teoría General de la Relatividad. Esta extraña y sorprendente propiedad cosmológica, deducida por Einstein a partir de principios fundamentales de la Física - en base a argumentos lógico-matemáticos, sin experimentación previa - !e permitió predecir el famoso desplazamiento de las estrellas fijas alrededor del sol, detectado en el eclipse solar de 1919. La curvatura del Espacio-Tiempo provocada por la presencia de materia tiene otro efecto notable a escala cósmica: el universo en su totalidad no puede ser infinitamente extendido, como creía Newton. Por el contrario, las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad señalan que el universo es finito pero ilimitado, vale decir, posee una cantidad finita de materia, energía y volumen, aunque no termina en ninguna parte. En este sentido se asemeja a la superficie de una esfera, que posee un área finita pero no tiene bordes. Sobre la esfera podemos avanzar siempre en una misma dirección sin encontrar límites, hasta volver al punto de partida. Lo mismo ocurre en el universo real. Con los datos existentes, se ha logrado estimar el radio del universo visible (del orden de 10 elevado a 10 años-luz) y la cantidad de materia total (del orden de 10 elevado a 52 kilogramos). UNIVERSO EN EXPANSION. Antes de Einstein, los físicos clásicos suponían que el tiempo no tiene principio ni fin. La Teoría General de la Gravitación, sin embargo, entrega un modelo del “universo en expansión", acorde con las observaciones sobre la "fuga de las galaxias", descubierta por el astrónomo Hubble en 1924. A partir de esta información, Lemaitre proyectó la expansión hacia atrás en el tiempo y planteó la hipótesis de un instante inicial. La Cosmología Moderna, apoyada en numerosas observaciones astronómicas, ha podido elaborar un modelo coherente y armónico del universo, a partir de los primeros instantes de la creación, utilizando para ello todos los conocimientos de la Física Teórica actual. Según este modelo, el universo empezó en un momento dado, hace unos 15 mil millones de años. En el instante inicial toda la materia y energía se encontraba en una “singularidad” extremadamente densa (densidad superior a 10 elevado a 15), contenida en un espacio-tiempo altamente compacto, a una enorme temperatura (superior a 10 elevado a 15 grados), en forma de radiación pura, ya que a esa temperatura no puede existir materia en su forma habitual. La enorme presión inicial generó una violenta expansión del “espacio-tiempo” (llamada "Big Bang"), a consecuencia de la cual la radiación inicial fue abarcando cada vez más espacio a medida que se enfriaba progresivamente. El espacio y el tiempo fueron "desplegados" o "generados" por la radiación, mientras la cantidad total de energía se mantenía constante. A medida que bajaba la temperatura, la interacción entre fotones de la radiación primordial - vía creación y aniquilación de materia y antimateria - permitió la formación de los minúsculos “quarks” y “leptones” (electrones, positrones, neutrinos). Acto seguido, los quarks quedaron aprisionados en partículas estables (protones, neutrones, etc.), todas las cuales dieron origen posteriormente, cuando las condiciones de temperatura lo permitieron, a los átomos de hidrógeno, deuterio y helio cósmicos. La radiación remanente de 2,73 grados Kelvin, que llena homogéneamente el espacio actual, es un residuo de aquella época, radiación que se enfrió por debajo de la temperatura mínima para generar partículas, de modo que ha seguido enfriándose hasta hoy a medida que se expandía el universo. Esta radiación es testigo mudo del origen del universo; además confirma el modelo de la expansión cosmológica y demuestra que el universo es finito, ya que de no ser así, la radiación electromagnética no habría permanecido en él para ser detectada por nosotros, sino se habría desvanecido en la inmensidad. SIGNIFICADO DE LA RELATIVIDAD Las ideas de Einstein fueron extraordinariamente fecundas y significaron un vuelco total en la visión del mundo que tenían los seres humanos. Su impacto en la filosofía natural es formidable. La relatividad de los conceptos que parecían ser absolutos - y la importancia de la experimentación frente al sentido común - hicieron caer muchos mitos largamente establecidos en la mente humana. Al fundar la Física sobre el Postulado de la Relatividad, logró Einstein descubrir leyes realmente objetivas de la Naturaleza, como por ejemplo, la constancia de la velocidad de la luz, la equivalencia entre materia y energía, la dilatación del tiempo, la curvatura del espacio, y muchas otras. Constituye un grave error afirmar, como suele escucharse, que para Einstein “todo es relativo”, y pretender en base a ello que no existe ninguna verdad absoluta. Muy por el contrario, su gran aporte a la Filosofía de la Naturaleza fue mostrar que las verdaderas leyes de la Física son aquellas que no dependen del sistema de referencia utilizado. Por lo tanto, cualquier sistema de referencia debe servir para describir la Naturaleza ya que, si un resultado depende del observador, no constituye una verdad objetiva. De este principio deriva históricamente el nombre de Teoría de la Relatividad. Más aún, Einstein hizo ver que las propiedades del espacio y del tiempo, considerados por separado, dependían del movimiento del observador. Sin embargo, al combinar el espacio (de 3 dimensiones) y el tiempo (de 1 dimensión) en un conjunto único, el “espacio-tiempo” de 4 dimensiones, llamado también “espacio de Minkowski”, los fenómenos allí definidos no dependen del observador. Así, una distancia en el espacio-tiempo tiene realidad objetiva. Las leyes definidas en dicho mundo tetradimensional no son “relativas” sino más bien “absolutas”, por ejemplo, la conservación de la Energía-Impulso. El mundo en que vivimos es, en verdad, “tetradimensional”, y no tridimensional como se creía hasta entonces. La revolución einsteniana introduce una nueva dimensión en la cosmovisión del ser humano, de tanta relevancia como tuvo en la historia constatar que la Tierra era redonda y no plana. Einstein precisó el rol de la subjetividad en la observación empírica y fue más a fondo que sus predecesores en la búsqueda de una verdadera objetividad, aquella que es invariante respecto a los cambios de sistemas de referencias. Así fundó una física más objetiva y de mayor alcance, buscando siempre la profunda armonía del universo, en contraposición total al relativismo filosófico, postura con la cual la Teoría de la Relatividad no tiene nada que ver. Prof. Jorge Ossandón, Ph.D. Facultad de Ingeniería Universidad de Talca Curicó, 18 de abril de 2005