Los físicos todavía están investigando la relatividad general de Einstein para detectar defectos, ahora en escalas cósmicas

Hace un siglo, Albert Einstein se hizo famoso.

Claro, él ya era conocido entre los físicos. Pero el mundo en general aprendió su nombre solo después de noviembre de 1919, cuando se supo que su teoría de la gravedad había sido confirmada, para consternación de muchos fanáticos de Isaac Newton.

“Lights All Askew in the Heavens” gritó el titular en el  New York Times . “La teoría de Einstein triunfa”, agregó un subtítulo. Como relató el artículo, una observación de estrellas cerca del sol durante un eclipse solar encontró que su posición aparente cambió tal como Einstein había predicho. La ley de la gravedad de Newton, considerada inviolable durante más de dos siglos, había sido derogada.

P 1919 eclipse Los físicos todavía están investigando la relatividad general de Einstein para detectar defectos, ahora en escalas cósmicas
La primera prueba importante de la teoría general de la relatividad de Einstein se produjo en 1919 a partir de un eclipse, que se muestra aquí en una imagen del artículo científico que informa que la luz de las estrellas distantes fue doblada por la gravedad del sol tal como lo había predicho la teoría de Einstein. (Crédito: FW Dyson, AS Eddington y C. Davidson)

Pero a pesar del triunfo de la teoría de Einstein, la relatividad general, los físicos aún se preguntan si algún día enfrentará el mismo destino que la ley de Newton. Si bien la gravedad de Einstein ha superado todas las pruebas hasta ahora, nadie sabe con certeza si se aplica en todas partes, en todas las condiciones. En particular, no hay garantía de que la relatividad general reine sobre toda la extensión del cosmos. Y se han propuesto varias teorías rivales a lo largo de los años en caso de que no sea así.

Después de que Einstein propuso su nueva teoría, fue ignorada durante algunas décadas. Pero en la última mitad del siglo XX, la relatividad general se convirtió en la teoría del universo. Sus ecuaciones describen la expansión del cosmos desde su gran explosión inicial de alta densidad hasta su rápida expansión actual. Y hoy la relatividad general se ha ganado una notoriedad popular creciente a medida que los científicos han verificado sus predicciones más exóticas, incluidos los agujeros negros y las vibraciones en el espacio conocidas como ondas gravitacionales.

Pero la serie de éxitos de la relatividad general puede no ser interminable. Es cierto que la teoría (junto con  la teoría  de las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza) describe bastante bien el universo observable. Esa descripción incluye cantidades masivas de masa invisible, conocida como materia oscura, junto con una fuerza repulsiva peculiar, llamada energía oscura, que perfunde todo el espacio. Pero la existencia de la materia oscura se deduce de la suposición de que la relatividad general es correcta.

“Dado que no hay otra evidencia (no gravitacional) para el sector oscuro, es una cuestión de sentido común cuestionar algunos de los supuestos fundamentales que se incluyen en la evidencia. Y la suposición principal es que la relatividad general es la teoría subyacente de la gravedad ”, escribe el astrofísico Pedro Ferreira, de la Universidad de Oxford en Inglaterra, en la Revisión anual actual  de astronomía y astrofísica . Si no asume que la relatividad general es correcta, entonces “la evidencia del sector oscuro puede indicar un colapso de la relatividad general en escalas cosmológicas”, señala Ferreira.

En otras palabras, es concebible que no haya cosas oscuras. Si ese es el caso, la evidencia aparente de su existencia podría ser una señal de que la verdadera teoría cósmica de la gravedad difiere de la de Einstein. Si es así, la imagen actual del cosmos tendría que ser dibujada drásticamente.

Aún así, los físicos tienen muchas razones para confiar en la confiabilidad de la relatividad general. Por un lado, resolvió un problema nudoso que había dejado perplejos a los astrónomos sobre el planeta Mercurio: una discrepancia en su órbita con respecto a ese pronóstico por la gravedad newtoniana. Einstein anunció su teoría en 1915 tan pronto como pudo demostrar que predijo correctamente la órbita real de Mercurio.

La clave de Einstein para resolver el misterio de Mercurio fue concebir la gravedad como un efecto de la geometría del espacio (o técnicamente, el espacio-tiempo, ya que su trabajo anterior había demostrado que el espacio y el tiempo eran inseparables). La gravedad no es un tirón mutuo de objetos masivos, dijo Einstein, sino más bien el resultado de una distorsión masiva del espacio-tiempo que lo rodea. Los objetos orbitan o caen en un cuerpo masivo dependiendo de cuán fuertemente se curva el espacio-tiempo a su alrededor. En lugar de responder a alguna fuerza atractiva, las masas simplemente siguen los contornos de la geometría del espacio-tiempo.

La gravedad como geometría condujo a la famosa predicción verificada en el eclipse de 1919. Einstein señaló que la curvatura del espacio-tiempo cerca del sol haría que la luz de las estrellas distantes se doblara al pasar cerca, cambiando las posiciones aparentes de las estrellas como se ve desde la Tierra. Esa predicción inspiró una expedición de eclipse a la isla de Príncipe de África occidental en mayo de 1919, dirigida por el astrofísico británico Arthur Eddington. El equipo de Eddington descubrió que las posiciones de varias estrellas se cambiaron solo por la cantidad que las matemáticas de Einstein indicaron que deberían ser, y el doble de lo que predijo la ley de Newton. Cuando el equipo de eclipse anunció los resultados en noviembre de 1919, una cuenta de noticias los anunció como señal de la necesidad de “una nueva filosofía del universo”.

EHT Black Hole Image Los físicos todavía están investigando la relatividad general de Einstein para detectar defectos, ahora en escalas cósmicas
En 2019, el proyecto Event Horizon Telescope produjo la primera imagen de un agujero negro, que muestra el núcleo de la galaxia M87. Los detalles de la distorsión de la luz por el agujero negro, como se revela en tales imágenes, pueden ayudar a probar la validez de la teoría de la gravedad de Einstein. (Crédito: Colaboración EHT)

En el siglo transcurrido desde entonces, la gravedad de Einstein ha superado muchas pruebas adicionales, como la detección espectacular de ondas gravitacionales,  informada en 2016 . Pero no es posible probar la teoría en todas las condiciones imaginables. Y los expertos han sospechado durante mucho tiempo que la relatividad general no puede ser correcta en reinos de densidad de masa extremadamente alta. En el centro de un agujero negro, por ejemplo, las ecuaciones de la teoría ya no tienen sentido, porque implican que la densidad de la materia se volvería infinita.

loading...

Viajar al interior de un agujero negro para probar la relatividad general sería una mala estrategia, por muchas razones. Pero los científicos que permanecen seguros en casa en la Tierra pueden explorar reinos de gravedad bastante fuerte, posiblemente ofreciendo pistas. Un proyecto utiliza una  red de telescopios  para obtener imágenes de la región cerca del borde exterior de un agujero negro: su “horizonte de eventos” (el punto de no retorno para cualquier cosa que caiga). Dichas imágenes pueden proporcionar detalles de cómo fluye la materia hacia el agujero negro desde su “disco de acreción”, un anillo de material en órbita fuera del horizonte de eventos.

“Al analizar la estructura del flujo de acreción”, escribe Ferreira, “será posible sondear la estructura del espacio-tiempo … y probar si es consistente con la relatividad general”.

Las ondas gravitacionales también pueden proporcionar detalles de la gravedad en condiciones extremas, como cuando chocan dos agujeros negros. Analizar las ondas espacio-temporales que emanan de tales colisiones podría revelar posibles fallas en las predicciones de la relatividad general.

Si la relatividad general falla alguna vez, múltiples teorías de la gravedad competidoras propuestas en las últimas décadas estarían esperando en las alas. La mayoría de ellos se reduce a agregar una nueva fuerza al repertorio de gravedad de la naturaleza, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Además de la gravedad, las otras tres fuerzas conocidas se describen con precisión mediante el “modelo estándar”, un conjunto de ecuaciones que obedecen los requisitos de la mecánica cuántica. Sin embargo, la relatividad general no se adapta a las matemáticas cuánticas, por lo que se ha realizado un gran esfuerzo de investigación durante mucho tiempo para desarrollar una teoría que combine la gravedad y la teoría cuántica.

“La unificación de la relatividad general y la física cuántica es ampliamente considerada como el problema abierto más destacado en la física fundamental”, dijo el físico Abhay Ashtekar de la Universidad Penn State en un simposio reciente  para escritores científicos .

Tal teoría unificadora, la mayoría de los expertos creen, implicaría algún tipo de modificación a la relatividad general.

Una forma de modificar la teoría sería incorporar un nuevo campo de energía que permee el espacio. La fuerza de dicho campo en diferentes lugares podría alterar las predicciones de la relatividad general para el comportamiento de la materia.

Algunos teóricos han propuesto en cambio que una fuente adicional de deformación del espacio-tiempo, una capa adicional de geometría, podría ser un enfoque más fructífero. Aún otras propuestas, como la teoría de las supercuerdas, podrían modificar la relatividad general al permitir más dimensiones del espacio que las tres comúnmente encontradas. Con algunas manipulaciones matemáticas, todos estos enfoques equivalen a agregar una quinta fuerza.

APEX Telescope Los físicos todavía están investigando la relatividad general de Einstein para detectar defectos, ahora en escalas cósmicas
Situado en un desierto de gran altitud en Chile, el radiotelescopio Atacama Pathfinder Experiment (APEX) es parte de la matriz global que conforma el Telescopio Event Horizon, que capturó la primera imagen de un agujero negro. (Crédito: ESO / B. Tafreshi / TWAN)

Hasta ahora, las pruebas que buscan signos de una nueva quinta fuerza no han encontrado nada. Pero esas pruebas se han llevado a cabo en escalas relativamente pequeñas (en comparación con el universo en su conjunto). Es posible que prevalezca la relatividad general en esas pruebas porque otros efectos físicos enmascaran o eliminan las desviaciones que induciría una quinta fuerza. Pero los efectos apantallados a pequeña escala podrían ser notables a gran escala, escribe Ferreira. “Este es un territorio inexplorado y una de las pocas arenas vírgenes en las que podemos encontrar evidencia de una nueva física”.

Otro principio comprobable de la relatividad general es su requisito de que la gravedad viaje a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales proporcionan una forma de probar eso. En 2017, la  fusión de dos estrellas de neutrones  no solo envió ondas gravitacionales a la Tierra (atravesando una distancia de 130 millones de años luz) sino que también lanzó ráfagas de radiación electromagnética, incluidos rayos X y rayos gamma, que viajan exactamente a la misma velocidad como la luz El tiempo de llegada de los rayos electromagnéticos y las ondas gravitacionales mostró que sus velocidades de viaje eran idénticas (dentro de una parte en un billón), descartando muchas teorías de gravedad alternativas que predecían una diferencia.

Además, tales pruebas y observaciones más refinadas de otras características cosmológicas (como la radiación de fondo de microondas remanente generada cuando el universo era joven), algún día podrían encontrar fallas en la relatividad general. Si es así, algunos fanáticos de Einstein pueden estar decepcionados, pero la mayoría de los físicos no lo estarán. Disfrutarían la emoción de abrir un nuevo capítulo en la historia de la física.

“Con las múltiples ventanas nuevas en el universo gravitacional …, uno esperaría que nuevas fuerzas y fenómenos estén al borde del descubrimiento”, escribe Ferreira. Pero si Einstein prevalece sobre las distancias cósmicas, dice Ferreira, hay un premio de consolación. “Por lo menos, terminaremos con una teoría de la fundición de hierro para la gravedad, probada en un rango envidiable de escalas y regímenes”.

10.1146 / knowable-010720-1

Tom Siegfried  es escritor y editor científico en el área de Washington, DC. Su último libro, The Number of the Heavens, sobre la historia del multiverso, fue publicado en septiembre por Harvard University Press.

Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine , un esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews.



  ¿Te gusto la noticia? si es así apoyanos compartiéndola en tus redes sociales. Déjanos un comentario. Te invitamos a que nos sigas por nuestras redes sociales, nos encuentras en twitter y facebook como InfoUnoOficial - https://www.facebook.com/InfoUnoOficial/
Mi texto escondido
 

loading...
error: