Notas sobre Epistemología. Fin de la física clásica

Notas sobre Epistemología. Fin de la física clásica: La teoría de la relatividad.
FUENTE: PSIQUIATRIA.COM. 2004; 8(1)
Fernando Ruiz Rey.
Psiquiatra
Wake County Human Services
Raleigh, NC. USA
E-mail: [email protected]
Las leyes de Newton describen adecuadamente los cuerpos en movimientos a velocidades bajas, pero no son
aplicables a las partículas atómicas ni cuerpos celestes que se mueven a altas velocidades. La Teoría de la
Relatividad (TR), de Albert Einstein, describe adecuadamente los movimientos de los objetos que se mueven a
velocidades cercanas a la de la luz. Los resultados de la aplicación de las Leyes de Newton y las de la Teoría de la
Relatividad a cuerpos que se mueven muy por debajo de la velocidad de la luz son muy semejantes, por lo que se
continúan utilizando las leyes newtonianas para estos movimientos. Las fórmulas de Newton son más sencillas y
de más fácil aplicación que las de Einstein, por lo que se usan preferentemente, en cuanto posible. (1)
La Teoría Especial de la Relatividad (TER), fue publicada en 1905. La TER se basa en dos postulados
fundamentales (2):
1. La velocidad de la luz permanece constante para todos los observadores, no importando las velocidades relativas- del marco desde donde observan. Permanece igual en todos los marcos de referencia inerciales (con
estados de inercia) en movimiento uniforme rectilíneo, no rotatorio; todo marco de referencia con otro tipo de
movimiento (generan campos gravitacionales) cae dentro de la teoría general de la relatividad. La especificidad de
la teoría, según su autor, radica en que solo se aplica específicamente al tipo de marco de referencia señalado (3.
I: Cap 4). Este postulado significa que la velocidad de la luz puede ser cuantificada y constituye una constante de
la naturaleza: c.
2. Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales. Esto significa que las leyes de la física
observadas por un viajero hipotético que se desplaza con una partícula en movimiento a velocidad cercana a la de
la luz (relativista), son las mismas que las observadas por el científico en el laboratorio estacionario. Este
postulado es en verdad, un supuesto común a todas las ciencias: se pueden formular reglas de la naturaleza que
no dependen de la situación particular del observador; esto no significa que las cosas funcionen igual en la tierra y
en el espacio sideral, las condiciones son distintas, pero rigen las mismas reglas. Esta teoría por referirse a
movimientos relativos de objetos se llama: Teoría Especial de la Relatividad, y su tesis central se pude resumir en
un par de frases: todas las velocidades son relativas, excepto la velocidad de la luz que es absoluta, y “cada
movimiento debe ser considerado solo como un movimiento relativo” (3, II, Cap 18); para la TER la descripción
de un movimiento es en principio irrelevante a cual cuerpo de referencia lo referimos, cualquiera puede servir de
marco de referencia siempre que sea un sistema inercial.
La idea de relatividad es fácil captarla, por ejemplo, un vehículo viaja por la carretera a una velocidad de 50 Km
por hora, otro vehículo que viaja en la misma dirección, lo hace a 60 Km por hora. Se puede decir que este
vehículo tiene una velocidad de 10 Km por hora relativa al primero.
Si un vehículo viajando en dirección opuesta, lleva una velocidad de 60 Km por hora, significa que se acerca al
primer vehículo con una velocidad de 110 Km por hora. Otra situación que ilustra la relatividad del movimiento:
una persona se pasea a la velocidad de 1 metro/seg, esto significa que la velocidad es, en verdad, 1 m/s con
respecto a la superficie de la tierra, pero 360 m/s relativa al centro de la tierra, 30000 m/s relativa al centro del
sol y, 220000 m/s relativa al centro de la galaxia (1). La adición o substracción de velocidades bajas es hecha en
forma sencilla, este proceso se llama transformación de Galileo, sin embargo, la situación se complica cuando se
trata de objetos que se mueven a velocidades cercanas a la luz, entonces ocurren cambios que requieren de
cálculos más complicados y de la consideración de la velocidad de la luz en las ecuaciones. Basándose en los dos
postulados de la TER, Einstein desarrolló una teoría que contiene consistentemente, la velocidad constante de la
luz, la adición de velocidades de cuerpos en movimiento y la relatividad del tiempo y del espacio en relación a su
marco de referencia.
Una consecuencia de los postulados de la TER es la relatividad de la simultaneidad. Si se imagina un tren en
marcha con alta velocidad, uniforme (v), que es alcanzado por dos rayos que lo golpean en el punto A y en el
punto B... Un observador ubicado fuera del tren en marcha, a medio camino (M) de ambos puntos, asegura que
los rayos cayeron simultáneamente, porque la luz de ambos le llegó al mismo tiempo, y tiene la razón: los rayos
cayeron simultáneamente considerando el marco de referencia de la tierra desde donde se observa. En cambio un
observador, pasajero del tren, ubicado entre los dos rayos asegurará que primero cayó el rayo que golpeó el
primer vagón, y luego el rayo que golpeó el último vagón, porque la luz del primero (A) lo alcanzó antes que la
del segundo (B), debido al movimiento del tren (moviéndose en dirección BA): su punto medio (M’), que en un
primer momento coincidió con el punto medio (M) del observador en la tierra, se ha desplazado en dirección al
punto A, por lo que su luz, le llega antes que la del rayo caído en el punto B. Los sucesos que ocurren
simultáneamente para el observador en la tierra, no son simultáneos para el observador ubicado en el tren, y vise
versa. Cada marco de referencia tiene su propio tiempo, por lo que siempre debe indicarse el marco de referencia
para todas las proposiciones de tiempo. Estas consideraciones se basan en la constancia de la velocidad de la luz.
(3. I: Cap.9)
Einstein dedujo todas las consecuencias lógicas de los postulados y alcanzó una serie de resultados que
parecieron ‘paradójicos’ y ‘absurdos’, pero que han probado ser acertados. Así por ejemplo, para describir el
comportamiento de las partículas que se mueven a velocidades cercanas a la luz (partículas relativistas), elaboró
una ecuación que calcula el efecto de una partícula relativista, denominado efecto gamma, que depende solo de la
velocidad de la partícula en relación a la constante de la velocidad de la luz. Este factor gamma afecta los cálculos
de momentos de fuerza y las mediciones del tiempo y del espacio de todos los marcos de referencia de cuerpos
relativistas (moviéndose a velocidades cercanas a la luz). Dos observadores ubicados en dos marcos de referencia
distintos, moviéndose a velocidades cercanas a la luz, verán mutuamente que el reloj del otro anda más despacio
y que la vara del metro se acorta en dirección al movimiento del sistema de referencia. Estos fenómenos son la
dilatación del tiempo y la contracción del espacio.
Si dos naves espaciales se desplazan a velocidades cercanas a la luz, los observadores de ambas naves verán, el
metro de la otra nave como más corto (contracción del espacio) y el reloj moviéndose más lentamente (dilatación
del tiempo). Entre más rápido vaya un objeto con respecto a otro marco de referencia, más se acorta la longitud;
igualmente, entre más rápido vaya el objeto con respecto a otro marco de referencia, se experimenta menos
tiempo: éste corre más lentamente. Este fenómeno se ha podido observar en algunas partículas atómicas que
sufren un proceso de decadencia y tienen, por lo tanto, duración, una vida-media. Como el tiempo se hace más
lento en la partícula que se mueve a gran velocidad con respecto al observador que permanece estático, se ha
constatado en laboratorios, que la vida media de las partículas es más prolongada. Este efecto de la dilatación del
tiempo es la razón por la que los rayos cósmicos muons pueden alcanzar la superficie de la tierra antes de decaer.
(2)
Resulta muy difícil imaginar estos fenómenos, pero ayuda el tener presente el que un cuerpo en movimiento
recorre espacio, y esto implica tiempo; Einstein dice: “Para tener una descripción completa del movimiento,
debemos especificar como el cuerpo altera su posición con el tiempo; i.e. para cada punto de su trayectoria debe
establecerse a que tiempo estaba situado ahí” (3, II: Cap. 3). Este tiempo debe ser considerado en magnitudes
posibles de ser observadas. El tiempo y el espacio están íntimamente ligados, y si imaginamos un cuerpo en
movimiento, veremos que en cada punto de su trayectoria se dan las cuatro dimensiones (tres del espacio y una
del tiempo), y la trayectoria del objeto no está constituida por saltos discontinuos, sino un continuo de espacio y
tiempo. Con estas consideraciones se hace posible comprender cómo grandes velocidades pueden distorsionar las
dimensiones de este continuo, y sus mediciones.
Para medir la distancia entre un punto A y un punto B en la plataforma de un tren en movimiento (en dirección
BA) usa una vara de medir y se obtiene un cierto resultado; pero visto este proceso desde otro marco de
referencia, un observador en la tierra firme, verá que, debido a la velocidad del tren el punto B se acerca al punto
A y se acorta la longitud, el tiempo está constitutivamente incluido en la situación y no se puede abstraer y
suponer que no existe para hacer una medición absolutamente limpia: la velocidad (incluido el tiempo) del tren es
una realidad inevitable de la situación de medida. (3. I: Cap. 10) Para calcular estos cambios provocados por la
velocidad se usa, como se ha señalado, el factor gamma. En la física clásica el tiempo (t) se consideraba como
una dimensión absoluta, independiente de la posición y condiciones de movimiento del marco de referencia, algo
insostenible, como lo señala Einsten en sus análisis de la simultaneidad. En cambio, la teoría de la relatividad
específica lo incluye con el espacio en un continuo no euclidiano, se le asigna un valor, y se le incorpora, junto a
las otras dimensiones, para el cálculo matemático y, así corresponder ‘formalmente’, de acuerdo al matemático
Hermán Minkowski, al continuo euclidiano de tres dimensiones. En el espacio geométrico de Minkowski, sin acción
de masas gravitantes, una partícula se mueve en línea recta, porque nada influye en su trayectoria.
Para la TER, el espacio y el tiempo dejan de ser absolutos, como lo sostenía la concepción newtoniana, para
volverse relativos -dependen- de la velocidad con que se esté moviendo el observador de esas dimensiones
(velocidad de los marcos de referencia). Newton, como se ha señalado previamente, distingue espacio y tiempo
relativos, medidos en el movimiento de los cuerpos y, espacio y tiempo absolutos, de acceso indirecto y que son
independientes de la materia; éstos constituyen el marco de todo lo que ocurre en el universo. Einstein elimina el
tiempo y el espacio absoluto para concentrarse en el tiempo y espacio relativos a los cuerpos en movimiento, y
agrega la idea de marco de referencia. Einstein usa la expresión “sistema de coordenadas” en lugar de “objeto de
referencia”, porque implica ‘dimensiones’ en las que se dan los fenómenos físicos y son adecuadas para la
descripción matemática. (3, II: Cap3)
Pero si el tiempo y el espacio están atados a su marco de referencia, si dependen de él, cómo se ponen ambos en
relación con los de otros marcos de referencia, y cómo pasa la información de un marco a otro. La respuesta que
da Einstein es la constancia de la velocidad de la luz (c) in vacuo; la aparente contradicción generada entre la
constancia de c y la relatividad señalada para el tiempo y el espacio, es resuelta por Einstein recurriendo a las
ecuaciones de transformación de Lorentz (3, I: Cap11). Las ecuaciones de Lorentz muestran además, que el límite
de la velocidad posible, no puede ser mayor que la de la luz. Basado en estos estudios y conclusiones Einstein
tuvo la intuición de que la masa aumenta con la velocidad; si la velocidad se acerca a la velocidad de la luz la
masa se agranda casi hasta el infinito, la longitud se acerca a cero y el tiempo casi se detiene. Para Einstein,
siguiendo las ecuaciones de Lorentz, ninguna partícula con masa puede moverse a la velocidad de la luz (v+c=c).
Por esto, si una persona viaja en un vehículo espacial a 90% de la velocidad de la luz y dispara un cohete en la
misma dirección con una velocidad del 50% de la luz, la velocidad del cohete no será 140%, sino solo menos de
100% de la velocidad de la luz: ningún objeto real puede alcanzar la velocidad de la luz. (4) Pero, aún más
importante es la conclusión de Einstein de que la masa y la energía son intercambiables, lo que expresa en su
conocida ecuación: E=mc^2. Esto es, la energía de una partícula es equivalente a su masa en reposo por el
cuadrado de la velocidad de la luz.
Esto significa que una partícula que desaparece, como en un proceso de fisión nuclear, libera su energía, junto a
otros residuos; la transformación más perfecta de masa en energía se logra por la acción de la antimateria,
liberándose energía y rayos gamma. Pero la fórmula también implica que la energía puede convertirse en materia,
lo que se ha podido realizar con los aceleradores de partículas. La demostración tangible y dramática de la validez
de esta ecuación y de la TER lo constituye la explosión de la primera bomba atómica en las cercanías de
Alamogordo, Nuevo Mexico, USA, el 16 de Julio de 1945; una fecha que marca el comienzo de magníficas
posibilidades para el género humano, pero también inicia una era de terribles consecuencias y amenazas de la
energía atómica.
La teoría general de la relatividad (TGR)(5) fue publicada el 25 de Noviembre de 1915 por Albert Einstein,
después de numerosos años de trabajos e intentos por entender el campo gravitacional desde la relatividad.
Einstein no quiso aceptar la explicación de Newton: la gravedad como una fuerza, e intentó encontrar otra
explicación para este misterioso fenómeno de la atracción de los cuerpos. El resultado de esta ardua tarea es la
formulación de la TGR que es básicamente una teoría acerca de la gravedad.
Desde el punto de vista histórico es interesante señalar que Einstein mantuvo correspondencia con el físico
alemán David Hilbert que publicó, cinco días antes que Einstein, un trabajo con las ecuaciones correctas del
campo gravitacional, incluyendo además, otras aplicaciones teóricas a la gravitación y expresando la esperanza de
que su trabajo podría conducir a la unificación de la gravitación y el electromagnetismo. En 1916, Karl
Scwarzschild, encontró la solución matemática para las ecuaciones que corresponden al campo gravitacional de
objetos compactos masivos. Estas ecuaciones han sido fundamentales en los estudios astronómicos de los ‘hoyos
negros’ (black holes), pulsars y estrellas neutrones. (6)
Central a la TGR es el Principio de Equivalencia que sostiene que si un sistema de referencia es uniformemente
acelerado, en relación a otro considerado fijo, se le puede considerar que está en reposo si se introduce la
presencia de un campo gravitacional relativo a él; por ejemplo, un sistema K, en reposo, y un sistema K’ que se
acerca con un movimiento uniformemente acelerado.
Supongamos varios objetos alrededor de K y K’; estos objetos están en reposo con respecto a K, pero, mirados
desde K’, todos parecen que se acercan a él con un movimiento acelerado uniforme. Un observador situado en el
sistema K’ puede concluir que está en reposo bajo su propio campo gravitacional: siente su peso (en sentido
contrario al movimiento) y los objetos ‘caen ‘en la misma dirección. Otro ejemplo para ilustrar el principio de
equivalencia: una persona en el interior de un ascensor en reposo en la superficie de la Tierra siente la fuerza de
gravedad empujando hacia el piso del aparato; si imaginamos un ascensor ideal en un lugar del espacio sideral
alejado de fuerzas gravitacionales, empujado desde el piso, con una aceleración de 9.8 m/s^2, la persona en el
interior siente lo mismo que si estuviera en la tierra en reposo. La conclusión de este principio es: el movimiento
uniformemente acelerado, y en verdad los movimientos con cualquier aceleración, pueden ser considerados
sistemas de tipo newtonianos (cuerpos con peso, con caída libre) si se incluye la presencia de un campo
gravitacional.
De acuerdo a este principio de equivalencia, la gravedad no es una fuerza como lo postulaba Newton, sino que
una mera consecuencia del movimiento (en el ejemplo del ascensor, el movimiento empuja y presiona los pies del
ocupante que se imagina es la gravedad), esto significa que la gravedad es consecuencia de la materia (masa en
movimiento). Un marco de referencia está constituido por cualquier objeto en movimiento (el ascensor en
movimiento es un marco de referencia), y la tarea de la teoría de la relatividad es poder describir todos estos
sistemas de referencia que poseen diferentes direcciones y velocidades (2).
La TGR reduce la gravedad a cambios en las propiedades geométricas de la estructura del espacio-tiempo (7, 8).
Se sabe con algunos detalles como funciona la gravedad, pero no se sabe lo que es exactamente, ni tampoco se
conoce la medida de las fuerzas gravitacionales, “que una masa distorsiona el espacio a su alrededor, produciendo
un campo distante a ella es uno de los presupuestos más profundos de la ciencia moderna” (4). Se ha conjeturado
la existencia de partículas, -gravitones-, para explicar la formación del campo gravitacional, pero no todos los
físicos aceptan la necesidad de este recurso explicativo, ni tampoco se ha comprobado su existencia en el mundo
real.
En base al principio de equivalencia se puede deducir que si la gravedad es equivalente al movimiento, y el
movimiento afecta al tiempo y al espacio según la TER, entonces, la gravedad también afecta a esas dimensiones.
Un cuerpo de gran masa como el sol de nuestro sistema, por consiguiente de fuerte gravedad, afecta al espacio y
al tiempo, curvándolos; así, la suma de los ángulos interiores de un triángulo no es 180 grados y el tic-tac del
reloj es más lento en su superficie. Con un reloj atómico se ha podido comprobar efecto de dilatación del tiempo,
las medidas son diferentes entre las dadas por el reloj en la cumbre de una montaña alta, y el reloj al pie de la
misma (14h 00s y 13h 59s) (9).
La geometría euclidiana no resulta adecuada para describir el espacio curvado por los campos gravitacionales de
la física relativista, es necesario utilizar geometrías no euclidianas como la ideada por el famoso matemático
alemán Georg FB Riemann que demostró que las propiedades básicas de un espacio curvo están determinadas
exclusivamente por la fórmula para medir “distancias”. Este espacio riemanniano no se puede visualizar, pero se
puede manejar y describir matemáticamente. Como hemos visto, la TER usa un sistema multidimensional con
coordenadas: x, y, z y t para describir los sucesos que aparecen en el continuo espacio-tiempo y hace una
interpretación física directa del suceso, gracias a la constancia de la velocidad de la luz y a la ausencia de la
curvatura provocada por la materia y la energía. La TGR, en cambio, no puede utilizar un simple sistema de
coordenadas y hacer interpretaciones físicas directas, porque la velocidad de la luz es afectada por los campos
gravitacionales y depende siempre de las coordenadas. La TGR recurre al sistema descriptivo de coordenadas de
Gauss que no tiene representación física directa, sino que son solamente numéricas para identificar los sucesos
que aparecen en el continuo curvado espacio-tiempo.
A cada suceso o punto del continuo se le asignan cuatro números (x1, x2,x3, x4)que corresponden a las cuatro
dimensiones, tres del espacio y una del tiempo, y con este procedimiento se pueden identificar y estudiar el
“tamaño” y las “relaciones” de cada suceso. (3, II: Cap.:25, 27)
Según las teoría de Newton la masa le dice a la gravedad como ejercer una fuerza (f= 2m/d^2 (cuadrado de la
distancia); y la masa le dice a la fuerza como acelerar (f=2m x a). En la teoría de Einstein, la masa le dice al
espacio-tiempo como curvarse; y la curvatura le dice a la masa como moverse. Los cuerpos en caída libre siguen
la distancia más corta, en el espacio rectilíneo: la línea recta; en el espacio curvo, el arco. (1)
La TGR reduce la gravedad a propiedades geométricas del continuo espacio-tiempo (7). Un intento de describir la
situación del espacio, del tiempo y de la gravitación, incluyendo una perspectiva cosmológica, diría que: un
cuerpo menor se mueve hacia el mayor, no por ser “atraído” por éste por una fuerza misteriosa, sino, porque
viaja en el continuo tiempo-espacio torcido y retorcido por la materia cercana. El espacio-tiempo es un flujo
invisible, oscilante que se tuerce en respuesta a objetos a su paso y que lleva a todo en el universo en sus vueltas
y revueltas. (10)
Esta compleja TGR ha tenido éxito por las predicciones que se pueden hacer de ella y que se han comprobado
posteriormente con diversas observaciones. En el tiempo de Einstein pudo explicar certeramente los cambios que
se observan en la órbita elíptica del planeta Mercurio. El eje mayor de esta órbita cambia lentamente por acción
de la gravedad ejercida por otros planetas; la teoría de Newton podía predecir la magnitud del cambio de
dirección del eje, pero no exactamente, el eje se mueve 43 segundos de arco cada 100 años más de lo predicho
por la teoría newtoniana. En cambio la aplicación de la TGR a este problema da un resultado que coincide
exactamente con las observaciones astronómicas. El desplazamiento de la órbita de Mercurio se debe a la
curvatura del espacio generada por la gran masa -y gravedad- generada por el sol.
Una segunda predicción de esta teoría es que la luz de una estrella al pasar cerca del sol (de gran masa y
gravedad: curva el espacio) sufre una deflexión de 1.75 grados de arco. Esta predicción fue confirmada por Arthur
Eddington en el eclipse solar de 1919. Con el sol eclipsado se pudo fotografiar las estrellas cercanas al sol, se
determinó su posición relativa a otras estrellas (las estrellas están fijas). Esta posición se comparó, seis meses
después, con las que tenían las estrellas en estudio en ese momento (la tierra había cambiado de posición con
respecto al sol y se podía ver las estrellas directamente). El resultado de las mediciones correspondió a las
predicciones de la TGR de la curvatura de la luz al pasar cerca del sol. Este experimento constituyó la base para el
reconocimiento público de la figura de Albert Einstein.
La tercera predicción importante de la TGR propone que la luz, constituida por fotones, afectada por la gravedad,
al alejarse de un cuerpo masivo sufrirá por acción de su gravedad: disminución de la energía, disminución de la
frecuencia y aumento de la longitud de onda. (11)
Dos extrañísimas predicciones derivadas de cálculos de la TGR son la existencia de los hoyos negros (black holes)
y la cosmología consecuente del efecto de la gravedad en el universo.
Un hoyo negro es un área en el espacio con una fuerza gravitacional tan intensa que atrae materia, luz y ondas de
su alrededor. Se considera que su apariencia es negra, de aquí su nombre. Se piensa que estos hoyos negros son
el resultado de estrellas que se han colapsado sobre si mismas. Mientras una estrella emite luz y calor al espacio
como producto de reacciones atómicas en la profundidad de su interior, posee una fuerza que contrarresta la
gravedad de su masa. Pero cuando el combustible nuclear de su interior se agota y cesa la producción de esa
energía, la estrella sucumbe a su propia gravedad, colapsándose en una masa estelar reducida, de extraordinaria
densidad. Una estrella con una masa tres veces mayor que la del sol de nuestro sistema, al colapsarse y formar
un hoyo negro, tiene un diámetro de aproximadamente 16 kilómetros.
La posibilidad teórica de la existencia de estos hoyos negros en el universo fue establecida por Oppenheimer, R y
Snyder H en 1939, manipulando las ecuaciones de la TGR. El primer hoyo negro que se cree que se descubrió en
el universo en 1970, se denominó Cygnus X-1 y estaría ubicado a 7000 años luz de la tierra. En la actualidad hay
numerosas regiones que se consideran posibles hoyos negros, y algunos astrofísicos y astrónomos creen que
enormes hoyos negros, hasta 10 millones de veces mayores que nuestro sol, se encontrarían en el interior de
galaxias energéticas y quasares.
La posible existencia de estas formaciones estelares es tan extraordinaria que, irónicamente, el creador de la
teoría que dio origen a estas posibilidades, Einstein, no creyó en la existencia de los hoyos negros.
La invención del espectroscopio permitió a los astrónomos determinar la dirección del movimiento y la velocidad
de los cuerpos celestes, incluyendo las galaxias. Christian Doppler descubrió, en el siglo pasado, que un sonido
emitido de una fuente en movimiento que se aleja del observador disminuye la frecuencia de la onda sonora, en
cambio si la fuente de origen se mueve en dirección del observador, la frecuencia de la onda sonora aumenta; por
ejemplo, la sirena de un camión que se aleja se oye más grave que cuando el camión se acerca, en este caso el
sonido es más agudo. Este fenómeno, el efecto Doppler, se observa también con otras ondas, incluso la luz; si
ésta se emite de un cuerpo que se aleja del observador, el espectroscopio sufre un giro hacia el rojo, y hacia el
azul si se acerca, de acuerdo al cambio de frecuencia. El astrónomo Edwin Hubble demostró en 1932, que la luz
de las galaxias más lejanas sufría un desplazamiento del espectroscopio hacia el rojo, más intenso que las más
cercanas, lo que indica que éstas se mueven con una velocidad mayor, demostrando que el universo está en
expansión.
Einstein fue uno de los primeros en tratar de entender y explicar el cosmos, para ello aplicó sus fórmulas de la
TGR al universo y encontró que éste no es estático, ni uniforme, ni con una distribución isotrópica de la materia
como el creía, sino que tiene un carácter oscilante, susceptible de expansión y contracción. Pero Einstein estaba
convencido de que el universo era estable, por lo que decidió modificar sus fórmulas y creó un universo esférico,
cerrado de cuatro dimensiones. Más o menos por ese mismo tiempo, el astrónomo Willem de Sitter utilizó las
fórmulas de la TGR, pero no tomó en consideración la existencia de la materia en el universo, predijo el
desplazamiento del espectro hacia el rojo, lo que no había hecho Einstein, pero lo descartó como una ilusión.
El sacerdote jesuita Georges Lemaître en publicó en 1927 su tesis del universo en expansión desde un núcleo
originario que explotó: Big Bang (expresión utilizada por el físico George Gamow al oír del fenómeno originario del
universo). Posteriormente a esta publicación, se encontró que Alexander Freidmann, un meteorólogo y
matemático ruso, había aplicando las ecuaciones de la TGR y elaborado una teoría similar diez, años antes.
Einstein no aceptó ninguna de las dos teorías, sólo cambió de parecer, cuando Hubble demostró (1932) que las
galaxias distantes se alejan velozmente.
La teoría cosmológica del origen del universo de un núcleo originario o, como es ahora conocida, la teoría del Big
Bang, plantea el comienzo del universo como derivado de un estado de materia supercondensada, en los límites
de un núcleo atómico, con temperatura y densidad inconcebiblemente altas. Este núcleo originario sufrió una
inefable explosión que dio origen, no solo a las partículas subatómicas constituyentes de toda la materia del
universo, sino también, al espacio y al tiempo mismo.
En un primer momento -fase ‘inflacionaria’- hubo aniquilación de partículas por antipartículas, y las que
sobrevivieron constituyen el universo conocido. Estas partículas iniciales se movían a velocidades superiores a la
luz (teoría de la “inflación”, no verificada, ni verificable), y lo existente era un plasma ionizado en el que la
materia y la radiación eran inseparables. Con esta explosión inicial -Big Bang- comienza la evolución del universo
con una expansión constante y pérdida progresiva de densidad y de temperatura (12). De acuerdo a esta teoría,
el universo tendría aproximadamente 10 mil millones de años, calculados en base a la velocidad con la que las
galaxias distantes se alejan unas de otras; esta predicción de la edad del universo, coincide con la edad calculada
en rocas radioactivas terrestres.
Este universo en expansión podría continuar su curso indefinidamente si no hubiera suficiente gravedad interior
en el sistema o; podría llegarse al punto en que la expansión cesara, y la atracción interior iniciara el proceso
contrario, el retorno a la condensación: el Big Crunch (el Gran Apretón). Nótese que no se habla de volver a su
punto central, el universo no tiene centro, todo está en expansión, de tal modo que desde cualquier punto de
observación imaginario en el universo, todo se aleja del observador.
El futuro del universo depende de la densidad crítica media del universo, el llamado punto “Omega”, que se puede
calcular considerando las galaxias cercanas. Si este Omega es menor de 1, el universo continuará su eterna
expansión abierta para morir de frío; si el Omega tiene un valor 1, el Universo se eventualmente detendrá en su
expansión, permanecerá estático y morirá frío; pero si el valor de Omega es mayor de 1, cesará la expansión y se
iniciará el Gran Apretón de todo lo existente y la muerte en el calor superdenso. Los astrónomos y astrofísicos
actuales, se inclinan a creer que el universo, probablemente, continuará su expansión constante, se calcula
teóricamente que el valor de Omega es 1, pero las mediciones solo han dado un valor de 0.1. (12) En los últimos
años se ha podido comprobar con los satélites artificiales de observación la existencia de “fósiles” del Big Bang; se
trata de una “radiación de fondo” (“cosmic microwave background”) detectable en todas las direcciones del
universo y de la misma temperatura, resto de fotones liberados en las primeras etapas del Big Bang. Esta
radiación fue inicialmente descubierta por Arno Pienzas y Robert Wilson en 1964, a ambos se les otorgó el Premio
Nóbel por este hallazgo que presta un importante apoyo a esta teoría cosmológica. La radiación de fondo fue
anticipada teóricamente por la teoría como una consecuencia de la explosión inicial. (13)
Bibliografía
1) Ryden, Barbara (1997). Special Relativity. www-astronomy.mps.ohio-state.edu/~ryden/ast162_8/notes33.htm
2) Stanford Education (2002). Theory Special Relativity. www2.slac.stanford.edu/
vvc/theory/relativity.html
3) Einstein, Albert. Relativity (1920). The Special and General Theory. Bartleby.com
4) University of Chicago. Newton BBS. Ask A Scientist: Archives. Sam Bowen: What causes gravitt?.
www.newton.dep.anl.gov/archive.htm
5)
Lightman,
A
(1996).
einstein/relatibity/relativity2.html
Relativity
and
6)
O’Connor,
JJ;
Robertson,
EF.
and.ac.uk/~history/HistTopics/General_relativ
the
Cosmos.
(1996).
PBS.
General
Nova.
www.pbs.org/nova/
Relativity.
www-gap.dcs.st-
7) Barnett, L (1951). Einstein et l’univers, trad. Néquad, pp 195-200. Citado en: Simard, Emile (1956).
Naturaleza y alcance del método científico. Biblioteca hispánica de filosofía. Editorial Gredos 1961.
8) Francis, Charles (2000). General Relativity. www.Ins.cornell.edu/spr/2000-01/msg0021364.hyml
9) Nymbus. General relativity: a very wierd world. www.svsu.edu/~slaven/gr/
10)
Expo/Science
&
Industry
Spacetime
archive.ncsa.uiuc.edu/Cyberia/NumRel/GenRelativity.html
11)
Ryden,
Barbara
(1997).
state.edu/~ryden/ast162_8/notes34.htm
General
Wrinkles.
Relativity.
General
Relativity.
www-astronomy.mps.ohio-
12) Creation Of a Comology: Big Bang Theory (1998-2000). ssscott.tripod.com/BigBang.html
13) Exploration (1997). The Big Bang Theory. liftoff.msfc.nasa.gov/ acadamy/universe/b_bang.html