Cien años de la teoría de la relatividad

Los avances de la ciencia nacen a cuentagotas del esfuerzo en equipo de expertos que poco a poco producen un descubrimiento crucial. El caso de Albert Einstein es una de las pocas excepciones a esa regla. Su trabajo personal, reflexivo, intuitivo y de gran imaginación encaja más bien en el mito del genio solitario. Casi todos sus grandes aportes a la física empezaron con un simple pensamiento, de los que provocan la clásica exclamación de Arquímedes: ¡eureka!

Así sucedió con su prodigiosa obra, la teoría general de la relatividad, que el 2 de diciembre cumple 100 años de publicada bajo el título Die Feldgleichungen der Gravitation (Las ecuaciones de campo de la gravitación), la misma que destronó las teorías newtonianas vigentes durante 200 años y mostró otra manera de entender la realidad. “Fue la introducción de un nuevo gran paradigma”, señala el físico José Robel Arenas. Esa gran obra del pensamiento humano, que cabía en apenas tres páginas, marcó el inicio de la cosmología moderna e inspiró a muchos físicos a desarrollar modelos para explicar los misterios del universo. Se trata de una formulación teórica que ha resistido la prueba del tiempo, pues “hasta ahora no ha habido una observación empírica que la contradiga”, dice el físico y profesor de finanzas Rafael Bautista Mena.

Todo comenzó a finales de 1907 cuando, sentado en su escritorio en la oficina de patentes de Berna, Einstein tuvo un pensamiento de la nada: si una persona se lanza de una azotea, mientras cae no sentirá su propio peso. Luego imaginó lo que pasaría si ese hombre estuviera dentro de un ascensor. “Él y los objetos que lo rodean también flotarían”, pensó. Pero ¿y si todo esto sucediera en el espacio exterior, donde no hay gravedad y el ascensor donde va esta persona es jalado con fuerza hacia arriba? Producto de esa aceleración, la persona también sentiría el peso hacia abajo y cualquier objeto allí dentro caería en el piso rápidamente, como si estuviera en la Tierra.

Con esta especie de experimento mental, Einstein concluyó que no había manera de saber la diferencia entre gravedad y aceleración. “En ese momento pensó que la gravedad no existía, al menos no como la concebía Isaac Newton”, dice Bautista. Esta reflexión se conoce como el principio de equivalencia y marcó el punto de partida de la teoría general de la relatividad.

Ya en 1905, Einstein había producido cuatro brillantes artículos que le granjearon la admiración de sus colegas y el título de annus mirabilis a esos 12 meses de producción intelectual prolífica que modificaron las bases de la física. Uno de esos trabajos fue la teoría especial de la relatividad, en la cual propuso que “la distancia, la velocidad y la duración son todas relativas al marco del observador”, señala Brian Geene, profesor de física de la Universidad de Columbia. De esta teoría se derivaría la ecuación más famosa en la historia de la ciencia: E=mc².

Después de cuatro años, en 1911, Einstein retomó el trabajo del hombre en el elevador, mientras se desempeñaba como profesor de la Universidad Charles Ferdinand en Praga. Entre 1911 y 1915 se dedicó a generar una nueva teoría que generalizara la teoría especial que había ya descrito en 1905.

Mientras esto sucedía en el campo profesional, su vida personal era un desastre debido al divorcio de su esposa, el antisemitismo en Europa y el distanciamiento de sus hijos.

A finales de 1915, Einstein decidió presentar la teoría, que aún tenía errores y asuntos por resolver, en cuatro charlas en la Academia de Prusia. David Hilbert, un matemático con el que entabló amistad por esa época, colaboró en ese proceso. Finalmente, el 25 de noviembre de ese año, día de la cuarta charla, a los 36 años, Einstein presentó la teoría general de la relatividad.

Como era de esperarse, el anuncio causó una revolución. Para Newton, la gravedad era una energía que atraía todo hacia la Tierra, pero según el modelo de Einstein esta no era una fuerza sino producto de un universo que se curva. Así, el Sol mantiene la Tierra en órbita no por ejercer una fuerza física sobre ella sino porque su masa distorsiona el espacio alrededor y obliga a la Tierra a moverse de esa manera. “La materia le dice al espacio cómo curvarse, el espacio le dice a la materia cómo moverse”, diría el físico John Wheeler.

La teoría general de la relatividad cambió la forma de entender la realidad e influyó en muchos campos de la ciencia del siglo XX. “La idea del universo antes de Einstein era muy primitiva: era una caja infinita con cuerpos que la habitaban, pero con la teoría general de la relatividad se volvió un lugar dinámico”, señala Arenas. Permitió pensar en un origen del universo y eso fue lo que hicieron quienes propusieron la idea del big bang; otros, como Alexander Friedmann y Georges Lemaître, formularon que el universo se está expandiendo, algo que más tarde Edwin Hubble y muchos después de él han logrado demostrar. Como consecuencia de su teoría también se pudo establecer el concepto de agujeros negros, agujeros de gusano, materia oscura e incluso de los viajes del tiempo, imposible bajo las leyes de Newton pero viable a la luz del nuevo paradigma.

Según el astrónomo Richard Gott, el fenómeno ya ha pasado y el mayor viajero en el tiempo ha sido el astronauta Sergei Krikalev, quien pasó en el espacio 803 días en la estación Mir a 27.000 kilómetros por hora. Einstein aseguraba que el tiempo en el espacio pasa más lentamente para objetos en movimiento que para aquellos en descanso. Es decir, que mientras él estuvo en órbita envejeció 1/48 de segundo menos que el resto de humanos, o que viajó 1/48 segundo hacia el futuro.

Nada de esto aporta mucho a la vida práctica. Tal vez el más claro ejemplo del impacto de la teoría general de Einstein son los GPS. Según Bautista, estos aparatos funcionan con dicha teoría y de no hacerlo se equivocarían de dirección “pues el tiempo más cerca de la Tierra fluye más rápido que en el espacio”, explica.

Hoy, un siglo después, la humanidad no solo celebra la promulgación de una teoría que los expertos califican de bella, elegante y eficaz, sino también el proceso que llevó a este hombre raro y de pelo revuelto a formularla. Como dice el físico José Fernando Isaza, “su genialidad consistió en ver lo que nadie ve” y en partir de la intuición más que de los datos, de la imaginación más que del conocimiento. Por eso, para Bautista esta es la celebración también al mito del genio solitario y “Einstein fue el último gran científico en encarnar esa idea que tanto fascina a Occidente”.

El camino a la teoría

1907: Einstein hace un experimento mental con la idea de una persona en caída libre. Lo maravilloso es que va más allá de lo obvio y analiza que cuando esto sucede la persona no siente su peso, un concepto que lo pone en la ruta hacia la teoría de la relatividad.

1911: Einstein, ahora profesor de la Universidad Charles Ferdinand de Praga, se dedica a explorar cómo expandir su teoría de la relatividad para que integre el concepto de gravedad.

1912: en la Escuela Tecnológica de Zúrich, donde trabaja como profesor, comienza un romance con su prima Elsa Lowënthal, con quien se casaría más tarde.

1914: Einstein y su esposa Mileva Marie, también física, se separan. Ella se traslada de Berlín a Zúrich con sus dos hijos y le impide verlos, lo que le genera a Einstein gran depresión.

Junio de 1915: el matemático David Hilbert asiste a una conferencia donde Einstein describe sus ideas preliminares sobre la teoría general de la relatividad y entre ambos comienza una amistad pero también una rivalidad por quién logra terminarla primero.

Julio-agosto 1915: unos meses antes de terminar su teoría, Einstein vive solo en Berlín concentrado en su trabajo, sin dormir ni comer mucho. Solo su afición por el violín lo consolará en esta frenética etapa.

Noviembre 1915: en la última conferencia ante la Academia de Ciencias prusiana, Einstein entrega el artículo final de su teoría considerada “tal vez el mayor descubrimiento científico jamás hecho”, según Paul Dirac, premio nobel en 1933.