LO SUCEDIDO ESTOS DIAS: LAS ONDAS DE GRAVEDAD Y LA RELATIVIDAD GENERAL DE EINSTEIN- Feb 17,2016

NOTA: Como mi primera “carrera” en la vida fue de físico teórico, me voy a permitir tratar de explicar el gran acontecimiento científico de estos días. Naturalmente si hay errores en lo que digo, agradecería a amigos físicos decírmelo y compartir.

EMPEZANDO POR EL FINAL: LO QUE SON LAS ONDAS GRAVITACIONALES

Imagine usted que el universo es una gran sábana de 2 dimensiones (ancho y largo), en la cual se depositan las masas de los planetas y estrellas. Automáticamente sucede algo: la sabana se hunde, más donde los cuerpos son más masivos, menos en los otros. Y algo más importante: al deformarse la sábana automáticamente los cuerpos se “atraen” llevados hacia los hundimientos, y cuanto mayor es el hundimiento más atrae a los demás. Y al mismo tiempo, al formarse el hueco, la tela de la sábana se sacude y se forman ondas que la recorren (igual que cuando usted lanza una piedra al agua, y hay ondas en la superficie). Ahí tiene usted la existencia al mismo tiempo de la gravedad (los cuerpos se atraen) y las ondas (la tela que se agita).

Pero el universo es más complicado. Hay que imaginarse primero una sábana que llena un espacio de tres dimensiones, es como si en lugar de 1 sábana fuera un paquete de sábanas, y es ahí donde se depositan y se mueven las masas cósmicas, y se generan ondas más amplias (como si usted sacudiera el agua en la superficie y en la profundidad de una laguna) . Pero es aún más complicado, en realidad el universo donde habitamos tiene 4 dimensiones, 3 de espacio y 1 de tiempo (la verdad imposible de imaginar solo se puede  intuir lejanamente), un paquete de sábanas de 4 dimensiones donde una es tiempo. Y por eso cuando hay masas en ese universo no solo deforman el espacio (y por eso hay la gravedad y las ondas) sino que además deforman el tiempo (y por eso cuando hay masas muy grandes como los famosos agujeros negros, el tiempo pasa más despacio en esos lugares).

Lo que se ha detectado son las ondas de gravedad (las ondas en la sábana) de un choque y unión de dos agujeros negros (36 y 29 veces nuestro sol respectivamente) hace 1.300 millones de años. Increíble no?

¿Cómo se detectaron? Básicamente con un aparato (interferómetro) que divide un rayo láser en dos y los manda por recorridos idénticos pero con una desviación de 90 grados entre ambos, y luego los vuelve a recombinar. Si nada ha interrumpido su camino, vuelven a juntarse exactamente igual. Pero si se encontraron con ondas gravitacionales que los afectaron, al reencontrarse esto aparecerá en el patrón de interferencia. Obviamente esto tiene que ser hecho con extremo cuidado para evitar otras interferencias. Por eso hay dos aparatos similares (en el estado de Washington y en Louisiana) y el brazo de cada uno tiene 4 kilómetros de largo.

 

Y AHORA SI USTED DESEA, VOLVAMOS ATRÁS PARA ENTENDER DE DONDE  VIENE TODO ESTO …

Desde siempre los humanos hemos mirado los fenómenos de la naturaleza con reverencia y admiración, y más aún lo que sucede en las lejanas estrellas. La ciencia nace cuando intentamos poner orden (teórico y experimental) en todos esos fenómenos a través de explicaciones lo más amplias posibles.

Hace 300 años y tanto, sir Isaac Newton plantea dos de esas grandes teorías entrelazadas: la mecánica clásica (cómo se mueven los objetos y de qué depende eso) y la teoría de la gravedad que explica cómo caen las manzanas pero también  cómo se mueven los planetas alrededor del sol. Esta última es lo que aprendimos en el colegio: los cuerpos se atraen en función directa de sus masas e inversamente al cuadrado de su distancia. (Humor de mi esposa: entonces no voy a bajar de peso, sino te voy a atraer menos!). Espectacular teoría, que explica “casi todo” (por ejemplo permitió predecir la existencia de Neptuno a partir de las variaciones de la órbita de Urano), pero tiene tres fallas.

Una, conceptual: qué hay de por medio para que los cuerpos se atraigan (¿una cuerda? ¿un campo? ¿un torbellino?), o simplemente hay una acción a distancia instantánea (si el Sol desaparece, en ese mismo instante la Tierra sigue en línea recta por la dirección  que tenía ese momento).

Dos, una teórica: la mecánica clásica no era compatible con el electromagnetismo (electricidad) explicado posteriormente en la teoría de Maxwell.

Tres, una experimental: el perihelio de la órbita de Mercurio en relación al Sol, no es exactamente igual a lo que se calcula con la teoría de Newton.

Einstein enfrenta estos problemas, sobre todo los dos primeros. Y  va armado con algo que también se había demostrado en esa época: la velocidad de la luz es una constante universal, en cualquier referencial siempre es la misma. Esto parece muy sencillo, pero es muy poderoso y extraño. Por ejemplo, si usted va en un auto a 60km/h y lanza una pelota en la misma dirección a la misma velocidad, para usted la pelota viaja a 60 km/h pero para alguien que está parado en la calla viaja a 120 Km/h (60 del auto más 60 de la pelota), pero resulta que si usted lanza un haz de luz, la velocidad de la luz para ambas personas es la misma, no se suman, ni se restan, nada.

Einstein está armado con esto, más un principio clave de cualquier teoría (la de Newton o cualquiera): la invarianza, es decir que dos personas en situación diferente y que ven un mismo fenómeno físico, deben poder explicarse lo que han visto y tener una fórmula que les permita convertir lo uno a lo otro y tener el mismo resultado. Eso existe en la teoría de Newton: si dos personas van a velocidades constantes pero diferentes, hay una fórmula sencilla que les permite ponerse de acuerdo en lo que vieron. En realidad solo tienen que ponerse de acuerdo en las posiciones y velocidades relativas porque el tiempo es el mismo para uno y otro (el tiempo no depende de nada externo). Por ejemplo, si una persona que está corriendo a una cierta velocidad lanza una pelota al aire, va a mirar una trayectoria diferente de alguien que está parado solo viendo a la pelota, pero se pueden transmitir ciertos datos (posición y velocidad del que corre) que les permiten a ambos concluir lo mismo: hay una pelota que subió tal distancia, en tal lugar, y bajó, mientras ambos están de acuerdo que todo esto sucedió en el mismo momento temporal. Pero cuando se aplica la mecánica de Newton al electromagnetismo esto no funciona, , no existe una transformación que ponga de acuerdo a ambas personas.

Einstein pues, trabaja con este principio de invarianza más la constancia de la luz, y llega a una conclusión impactante: el tiempo también depende de la velocidad a la que se da el fenómeno físico, el tiempo va más despacio cuánto más rápido se va (Humor de mi esposa: entonces en lugar de Botox voy a comprar un Lamborghini!). Las personas tienen que transmitirse información sobre posiciones, tiempos y velocidad relativa, para poder entender que se trata del mismo fenómeno físico. La posición y el tiempo dependen de la velocidad, lo único que es permanente es el conjunto de 4 dimensiones espacio-tiempo (no solo el tiempo como en la teoría de Newton). Esta fue la Teoría de la Relatividad Especial o Restringida, en el milagroso año 1905.

Pero luego Einstein quiso ampliar el principio de invarianza: ¿cómo, dos personas que están en aceleración una en relación a la otra (no velocidades constantes), se van a poner de acuerdo sobre un mismo fenómeno físico? ¿Qué información y que fórmulas deben usar? Y ahí introduce toda una nueva teoría que es la llamada Relatividad General que se acaba convirtiendo en una explicación de cómo se estructura el universo (eso mismo buscaba Einstein), y cómo funciona la gravedad. No era su objetivo inicial ligar las dos sino que en el camino le surgió la conexión.

En particular hubo un hito fundamental cuando enunció el “principio de equivalencia” (según él “la idea más feliz de mi vida”), cuando en definitiva “visualizó” (en uno de sus famosos experimentos mentales, Gedankenexperiment) que caer en caída libre en un lugar con gravedad es similar y, no se puede distinguir, de estar en aceleración en un lugar sin gravedad (piense en esto la próxima vez que esté, desatento, en un ascensor o una montaña rusa). Ejemplo: no se puede distinguir si una pelota cae al suelo por la atracción de gravedad de la Tierra, o si la pelota cae al suelo dentro de un cohete espacial sin gravedad que acelera (la pelota en el cohete cae al suelo por la misma fuerza inercial que empuja al conductor de un auto contra el asiento cuando acelera).

El resultado fue interpretar los fenómenos gravitatorios como alteraciones de la curvatura del espacio-tiempo producidas por la presencia de masas. De ello se deduce que el campo gravitatorio es una entidad física independiente y sus variaciones se transmiten a una velocidad finita en forma de ondas gravitacionales. Esto, volviendo al mismo comentario de un párrafo anterior, quiere decir que si mañana desaparece instantáneamente el sol, se requieren 8 minutos aproximadamente para que el efecto transmitido por ondas gravitacionales se sienta en la Tierra, y no es ya instantáneo como en la Teoría de Newton, no es ninguna coincidencia que estos 8 minutos correspondan a los famosos 8 minutos que se demora la luz en llegar del sol a la tierra como se estudia en el colegio, ya que las ondas gravitacionales viajan a la velocidad a luz también. La presencia de masa, o energía en una determinada región del espacio-tiempo de 4 dimensiones, provoca su alteración, y por ejemplo el tiempo transcurre más despacio en la cercanía de un cuerpo de mayor masa (porque deforma más al espacio y al tiempo).

La teoría ha tenido varias comprobaciones, entre otras:

*calcular con exactitud la órbita de Mercurio alrededor del Sol

*en la observación de un eclipse total de Sol en 1919, realizada por Sir Arthur Eddington, se observó que efectivamente la luz proveniente de estrellas lejanas se curvaba al pasar cerca del campo gravitatorio solar

* Dilatación gravitacional del tiempo: Los relojes situados en condiciones de gravedad elevada marcan el tiempo más lentamente que relojes situados en un entorno sin gravedad. Demostrado experimentalmente con relojes atómicos situados sobre la superficie terrestre y los relojes en órbita del Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Los GPS requieren de la relatividad: “Los relojes en los satélites GPS requieren una sincronización con los situados en tierra para lo que hay que tener en cuenta la teoría general de la relatividad y la teoría especial de la relatividad. Si no se tuviese en cuenta el efecto que sobre el tiempo tiene la velocidad del satélite y su gravedad respecto a un observador en tierra, se produciría un adelanto de 38 microsegundos por día en el reloj del satélite (sin corrección, su reloj retrasaría al día 7 microsegundos como consecuencia de la velocidad y adelantaría 45 microsegundos por efecto de la gravedad), que a su vez provocarían errores de varios kilómetros en la determinación de la posición.” (Wikipedia).

*las ondas gravitacionales objeto de las noticias estos días. Entre otras cosas, esto permitirá “mirar” a los objetos del universo, no solo en base a la luz y ondas similares que emiten, sino adicionalmente con las ondas gravitatorias. Esto ampliará nuestra visión del Universo y en particular del famoso Bing Bang inicial hace 15 mil millones de años.

La Relatividad General fue quizás la última teoría creada casi desde cero por una sola persona, Einstein, y el descubrimiento de las ondas gravitacionales le rinde un gran homenaje.

3 thoughts on “LO SUCEDIDO ESTOS DIAS: LAS ONDAS DE GRAVEDAD Y LA RELATIVIDAD GENERAL DE EINSTEIN- Feb 17,2016

  1. Excelente su analisis y explicacion. Tengo una pregunta: Las ondas de gravedad viajan a la velocidad de la luz o pueden ser superior?. y otra esta ondas gravitatorias viajan mas lento o mas rapido en partes del universo donde hay mas masa y por ende mas gravedad?gracias.

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