Volumen 9 - Nš49 - Noviembre/Diciembre 1998

Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la
Asociación Ciencia Hoy

NOTA ESPECIAL

Una verificación experimental de la relatividad
general a escala terrestre

RAFAEL FERRARO
Instituto de Astronomía y Física del Espacio (CONICET), Buenos Aires
Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UBA.

El capítulo de la física que conocemos con el nombre de Teoría de la Relatividad se divide en dos grandes secciones: la relatividad especial (o restringida), que ha alcanzado amplia divulgación; y la relatividad general. En la relatividad especial (1905), Einstein necesitó modificar nuestra creencia en la independencia del observador en la medida de tiempos, con el ánimo de otorgar a las leyes del electromagnetismo la categoría de leyes fundamen tales -válidas en cualquier sistema de referencia (o laboratorio) inercial-. Nuestras nociones intuitivas de espacio y de tiempo se modificaron de forma tal que resultaron ser válidas sólo en el rango de velocidades pequeñas comparadas con la de la luz; una situación típica de nuestra experiencia cotidiana. El espacio y el tiempo absolutos de Newton fueron reemplazados por un nuevo absoluto: el espacio-tiempo relativista. Sin embargo, el nuevo espacio-tiempo no perdió su carácter de escenario inmutable en donde suceden los fenómenos físicos: el espacio-tiempo era sede de los fenómenos pero no era modificado por ellos; era escenario pero no actor. En 1916, con la relatividad general, Einstein promovió el espacio-tiempo a la categoría de "actor".

La relatividad general es a la vez la teoría relativista del campo gravítatorio, y también la teoría en la cual desaparece el privilegio, sin origen aparente, de los laboratorios inerciales (según Newton, aquellos que se trasladan con movimiento rectilíneo y uniforme respecto del espacio absoluto). En la física newtoniana, la descripción de los fenómenos desde un sistema no inercial (por ejemplo, un laboratorio que rota respecto del espacio absoluto) requiere la inclusión de fuerzas ficticias, en el sentido de que no son debidas a una interacción; un ejemplo de ellas es la fuerza centrífuga. Estas fuerzas son proporcionales a la masa, como lo es la fuerza gravitatoria. Este hecho bien conocido le sugirió a Einstein que ambos tipos de fuerzas -las ficticias de los sistemas no inerciales y las gravitatorias-podrían tratarse como un único campo gravitatorio -inercial. Además, la formulación relativista de la gravedad también respondería al problema del privilegio de los sistemas inerciales, en el sentido de que se podrían formular las leyes de la física de manera que fuesen válidas en cualquier laboratorio (Principio de relatividad general).

Para formular su teoría del campo gravitatorio-inercial, Einstein produjo una nueva revolución en nuestra forma de ver el espacio-tiempo. En efecto, los fenómenos gravitatorios dejaron de modelarse mediante la acción de fuerzas provenientes de cuerpos masivos, para ser vistos como la consecuencia de cambios en la geometría del espacio-tiempo que no estaría más predeterminada, sino que se modificaría por la presencia de esos mismos cuerpos. El científico se dio cuenta, además, de que las propiedades euclidianas atribuidas a la geometría del espacio (o sea, un espacio chato donde dos rectas paralelas nunca se corten) eran tan sólo el reflejo de nuestra experiencia limitada a regiones pequeñas comparadas con escalas cosmológicas y alejadas de altas concentraciones de materia. No sólo las propiedades métricas del espacio, sino también la relación entre la marcha de un reloj y el decurso de la coordenada temporal resultan modificadas por la distribución de materia y energía, lo que también puede verse como un efecto geométrico sobre la coordenada temporal. En ausencia de fuerzas, los cuerpos siguen las trayectorias inerciales (las geodésicas) del espacio-tiempo curvado. Así, por ejemplo, el Sol curva el espacio-tiempo, y las órbitas de los planetas son las trayectorias naturales en esa geometría espacio-temporal curvada. A partir de Einstein sabemos que no sólo las distancias y los intervalos de tiempo no son absolutos sino que, el espacio-tiempo no es un escenario inmutable donde ocurren los fenómenos: el espacio-tiempo participa en los fenómenos. La geometría del espacio-tiempo es un actor más de la dinámica: es modificada por y modifica la distribución de materia y energía.

Hoy en día contamos con una fenomenología cada vez más rica asociada con las predicciones de la relatividad general. Las órbitas de los planetas, por ejemplo, no resultan ser perfectamente elípticas, como predice la teoría newtoniana. Este apartamiento es tanto más notorio cuanto más cercana sea la órbita a la fuente del campo (el Sol, en el caso de nuestro sistema planetario). Al poco tiempo de nacida la relatividad general se pudo demostrar que el movimiento de Mercurio estaba de acuerdo con la predicción relativista. Cabe destacar que la curvatura del espacio-tiempo afecta no sólo las trayectorias de los planetas, sino también las de los rayos de luz, un efecto que también fue verificado tempranamente (ver "La demostración sudamericana de las teorías de Einstein", CIENCIA HOY 44, 50:59). En el orden cosmológico, los modelos de universo en expansión resultan de resolver las ecuaciones de Einstein. Una consecuencia de ellos es la existencia de una radiación cósmica de fondo -reliquia de la "sopa" de materia y energía a muy alta temperatura presente en los primeros instantes de la evolución- que ha sido detectada. En la actualidad, esta radiación se analiza con precisión creciente para extraer de ella información acerca de las inhomogeneidades que actuaron como semillas para la formación de estructuras en el universo. Se observaron también, imágenes múltiples de un mismo objeto celeste (mayormente cuásares) producidas por el efecto de "lente gravitatoria". Se midió el retardo de señales de radio que pasan por la vecindad al Sol. Hay fuertes indicios sobre la existencia de agujeros negros.

En 1993 el Premio Nobel de Física fue concedido a Russel A. Hulse y Joseph H. Taylor Jr., por el estudio de la dinámica de un púlsar binario -descubierto por ellos mismos en 1974 que se convirtió en el test más preciso de la gravitación relativista. De acuerdo con la relatividad general, un sistema físico como el estudiado debe perder energía por emisión de ondas gravitatorias. Después de más de una década de trabajo, Hulse y Taylor verificaron que el comportamiento del púlsar binario se ajustaba perfectamente a las predicciones relativistas.