Siguiendo con el aniversario de la publicación de la Teoría de la Relatividad General de Einstein (Noviembre de 1915), conviene detenernos en el método que Einstein y otros físicos teóricos de su época utilizaban para avanzar en sus descubrimientos.

Puesto que no se podían hacer experimentos reales donde comprobar sus deducciones ya que nadie puede ni siquiera acercarse a la velocidad de la luz o abandonarse en una caida libre, se utilizaban los experimentos mentales.

Consiste en imaginarse en una situación hipotética y de acuerdo con la experiencia y con los conocimientos de las leyes de la física, hacer deducciones que nos llevan a nuevos descubrimientos.

Por ejemplo, para su teoría de la relatividad especial, Einstein se imaginaba en un tren (el medio de transporte mas rápido de aquellos tiempos) y emitía señales luminosas que se reflejaban en el techo del tren y volvían al punto de partida. Calculando la diferencia de tiempo entre un observador en el propio vagón y otro en el anden y teniendo en cuenta que la velocidad de la luz no puede cambiar por cambiar de sistema de referencia, (segundo postulado de la relatividad especial) llegaba a la diferencia entre el tiempo medido en los dos sistemas de referencia.

De esa forma concluyó que el tiempo propio, el medido en el mismo sistema de referencia en el que se realiza el experimento, es siempre inferior al medido desde cualquier otro sistema. Lo que le llevó a la paradoja de los gemelos, a la contratación de la longitud y otras deducciones similares que desafiaban nuestra experiencia cotidiana.

En el caso de la relatividad general, el experimento mental era imaginarse cayendo dentro de un ascensor ya que en siglo XIX ya se había generalizado el uso del mismo en los edificios.
Pues bien Einstein tuvo la genial idea de pensar que si cayera dentro de un ascensor en caída libre no sentiría la gravedad y que por tanto, por el principio de equivalencia, sería lo mismo que estar en un espacio donde no hubiera gravedad.
De la misma forma, el sentir su peso y por tanto la atracción gravitatoria dentro de un ascensor en reposo sería equivalente a la aceleración que sentiría en un espacio sin gravedad donde el ascensor se moviera con una aceleración equivalente a la de la gravedad. Es decir sentiríamos en nuestros pies el “peso” de nuestro cuerpo pero porque nos empuja el suelo del ascensor.
Por tanto en un ascensor sin ventanas no podríamos deducir en cual de las dos situaciones nos encontrabamos.
Todo ello llevó a Einstein a plantear la gravedad no como la tradicional atracción entre masas sino como una propiedad de la geometría del espacio-tiempo, es decir, este se curvaba en presencia de grandes masas. A su vez, el espacio-tiempo debido a su curvatura alteraba el movimiento de las masas en su seno.

Einstein no fué el único que utilizó los experimentos mentales.
Es muy famoso el del gato de Schrödinger.
Este físico austriaco propuso en 1935 este experimento mental para visualizar la diferencia entre la Física clásica y la cuántica.
Consistía en imaginarse un gato dentro de una caja con una botella de veneno y un mecanismo para romperla que dependía de la desintegración de una partícula. La probabilidad de desintegración de esta partícula era del 50%.
En la Física clásica el estado del gato será vivo o muerto antes de que abramos la caja.
Pero en la Física cuántica se puede describir el estado del gato con una función de probabilidad que será el resultado de la superposición de los dos estados, por lo que el gato estará, antes de abrir la caja, vivo y muerto a la vez.
Aunque la observación al abrir la caja altera el sistema haciendo que el gato esté vivo o muerto, tal y como se deduce del principio de indeterminación de Heisenberg, la propia observación altera el estado del sistema observado por lo que es imposible medir con precisión el mismo.

A veces los genios aciertan hasta cuando se equivocan.
Eso le ocurrió a Albert Einstein, como nos cuenta Lawrence Krauss catedrático de Física en la Escuela para la exploración de la Tierra y del Espacio de la Universidad estatal de Arizona en un interesante artículo que publica en el número de Noviembre de la revista Investigación y Ciencia dedicado al centenario de la Relatividad y cuyo enlace os dejo al final de esta entrada.

A lo largo de su carrera Einstein tuvo varios errores aunque acabaron sirviendo para que alguien hiciera nuevos descubrimientos, por lo que incluso con sus equivocaciones acabó haciendo grandes contribuciones al avance de la ciencia.

Vamos a repasar algunos de ellos.

Efecto de lente gravitatoria

Una de las consecuencias de la relatividad general es que la luz debe curvarse cuando pasa cerca de un objeto masivo ya que las masas deforman el espacio-tiempo que las rodean.
Esto se comprobó por Arthur Eddington en el eclipse solar de 1919 al medir la posición relativa de dos estrellas cuando el Sol se encontraba entre ellas y nosotros y compararla con la posición de las mismas estrellas cuando el Sol se encontraba en otro lado del cielo.
Einstein publicó en 1936 un artículo en el que describía y hasta calculaba el efecto de lente gravitatoria que podía provocar una estrella.
Pero concluía que sería tan pequeño que no podría ser observado.
Lo que pasó por alto es que las estrellas se agrupan en galaxias y que aunque el efecto de lente de una sola estrella es muy pequeño el toda una galaxia o el de un cúmulo de galaxias si que podría ser observado.

Ondas gravitacionales

Es curioso que como resultado de las diversas soluciones que se derivaban de sus ecuaciones, se llegaba a deducciones que luego se han demostrado acertadas, pero que en su momento Einstein no supo aceptar.
Una de sus deducciones eran las ondas gravitacionales. Como resultado de las perturbaciones en el espacio-tiempo (por ejemplo por la explosión de una estrella al producir una supernova) se producirían ondas de la misma forma que en un estanque cuando perturbamos su superficie al tirar una piedra.
Einstein llegó a esa conclusión en 1916 ya que entonces pensó que era una deducción lógica de sus ecuaciones.
Pero en 1936 escribió un artículo dirigido a la revista Physical Rewiew en el que comunicaba que después de numerosos cálculos había llegado a la conclusión de que las ondas gravitacionales no podían existir. El artículo no llegó a publicarse pues el científico al que la revista entregó el artículo para su valoración (procedimiento habitual en las revistas científicas de prestigio) no estuvo de acuerdo con los cálculos del propio Einstein. Éste enfadado retiró el artículo.
Poco después, el científico evaluador Howard Robertson, cosmólogo americano, se puso en contacto con Einstein haciéndole ver donde estaba su error en los cálculos.
Einstein no volvió a referirse nunca más a lo no existencia de las ondas gravitacionales.

Agujeros negros.

Igualmente, como resultado de los cálculos de las ecuaciones de la relatividad, se deducía la existencia de singularidades, es decir, soluciones en las que alguna de las magnitudes físicas que intervienen en las ecuaciones tomaban el valor de infinito.
De alguna de esas soluciones se deducía la existencia de lugares donde el tejido del espacio-tiempo se rompía por la existencia de objetos supermasivos.
Einstein no aceptó nunca la existencia de los agujeros negros. Las singularidades le parecían un sinsentido y dedujo que la naturaleza tendría mecanismos para evitarlas.
Hoy en día se da por sentado que debe haber al menos un agujero negro en el centro de cada galaxia.

La constante cosmológica.

Otra de las deducciones de las ecuaciones de Einstein era que el universo debía estar en expansión.
Pero como en 1915 estaba aceptado por todo el mundo científico que el universo era estático, Einstein introdujo en su ecuación un término, la constante cosmológica, que anulaba la expansión describiendo un universo inmutable.
Pero en 1922 Alexander Friedmann halló sus ecuaciones a partir de las de campo de Einstein en las que se demostraba la expansión del universo, corroboradas después por Edwin Hubble en 1929 cuando pudo medir el desplazamiento hacia el rojo (efecto Doppler) de algunas galaxias cercanas, aunque ya en 1927 el astrónomo y sacerdote belga Georges Lemaître había publicado sus cálculos a partir de las ecuaciones de Einstein en los que se demostraba también la expansión del universo, pero este artículo no tuvo la suficiente difusión quedándose Hubble con toda la gloria.
Una vez más lo que se deducía de las ecuaciones de Einstein era correcto aunque ni él mismo lo creyera.
Einstein llegó a calificar a la constante cosmológica como el mayor error de su carrera cuando aceptó por fin un universo en expansión.

Sin embargo el error no acabó aquí.
En 1998, se constató que el universo no solo se expande sino que lo hace de forma acelerada.
Es decir, existe algo que no vemos que no solo anula la gravedad sino que es mayor que ella, lo que provoca el aumento en la velocidad de la expansión, por eso se le ha llamado energía oscura. Su naturaleza se desconoce.
El efecto de la energía oscura es similar al de la constante cosmológica de Einstein, se opone a la gravedad.
Por tanto, se equivocó al introducirla y según parece se equivocó al quitarla.

La mecánica cuántica.

Einstein con su explicación del efecto fotoeléctrico, publicado en 1905 y por la que se le concedió el premio Nobel en 1921, en la que consideraba a la luz como partículas (fotones) y no como onda, sentó las bases de la física cuántica. Una vez más abrió un camino que ha provocado grandes avances de la ciencia.
Sin embargo nunca aceptó el principio de incertidumbre de Heisenberg a partir del cual se deja de tener la certeza en la posición de una partícula en movimiento sustituyéndola por la idea de probabilidad de localizarla en una determinada zona.
De ahí su famosa frase: “Dios no juega a los dados” en el sentido de que Dios como responsable de las leyes de la Naturaleza no podía dejar a esta última al azar, a la probabilidad. Para él las leyes de la naturaleza eran esencialmente deterministas.
Stephen Hawking uno de los grandes cosmólogos de nuestro tiempo corrigió a Einstein a finales del siglo pasado en su “Breve historia del tiempo” diciendo: “Dios no solo juega a los dados con el universo, sino que además los esconde” refiriéndose al hecho de que las leyes de la física no tienen validez más allá del horizonte de sucesos de un agujero negro. Es decir, hay rincones del universo donde las leyes de la naturaleza, al menos las que nosotros conocemos, no tienen validez.

http://www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/numero/470/los-errores-de-einstein-13638

En este año, se cumple el centenario de la Teoría de la Relatividad general de Einstein.

La revista Investigación y Ciencia dedica su número de Noviembre, a la celebración de este descubrimiento que cambió para siempre la concepción de la Física Newtoniana.

En uno de los artículos de la revista, Brian Greene, catedrático de Física y Matemáticas de la universidad de Columbia, habla acerca del impacto que Albert Einstein causó en la ciencia entre 1905, año en que publicó su explicación del efecto fotoeléctrico y la teoría de la Relatividad especial, y 1915, año en que publicó su teoría de la Relatividad general.

En su teoría de la Relatividad especial, Einstein, en los ratos libres que le dejaba su trabajo en la oficina de patentes de Suiza en Berna, cambió la concepción que hasta entonces se tenia del espacio y el tiempo.

Como dice Carlos Sabin (Físico e investigador del Instituto de Física Fundamental del CSIC) en otro de los artículos de la citada revista, uno de los postulados de la relatividad einsteniana establece que las leyes de la Física no dependen del observador. Dicho de otra manera, todo lo importante en Física (como, por ejemplo, la ley de Newton que dice que la fuerza es igual a la masa por la aceleración) no es relativo. Para que esto sea así, es necesario que algunas cosas sean relativas. Por ejemplo, las medidas de distancias o velocidades que dependían del observador. Mientras que la velocidad de la luz era independiente de la velocidad del foco que la emite o del observador que la mide.

Además nada podía viajar mas rápido que la luz.

La mecánica newtoniana entendía que la atracción gravitatoria se ejercía de manera instantánea lo que contradecía el límite de la velocidad de la luz.

Einstein lo resolvió en 1915 con la Relatividad general.

Esta cambiaba la idea que hasta entonces se tenía de la gravedad: El espacio y el tiempo se deforman y curvan. No es que la atracción gravitatoria de la Tierra arrastre a una masa haciéndola caer hacia ella, sino que la Tierra deforma el espacio-tiempo que la rodea haciendo que la trayectoria de la masa se dirija hacia ella.

Einstein decía que la gravedad se encontraba tallada en la geometría del Universo.

Quien quiera mas saber mas sobre Einstein:

http://www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/numero/470/la-importancia-de-einstein-13635

http://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-quimica/85/posts/dejen-de-citar-a-einstein-por-favor-13713