“Zufrieden aber ziemlich kaputt”
(“Satisfecho, pero completamente exhausto”)
Carta de Albert Einstein a su amigo
Michele Angelo Besso en diciembre de 1915.
En 1905, cuando Albert Einstein se apresuró a publicar la Teoría Especial de la Relatividad, no era el único, otros científicos también estaban cerca de establecer dicha teoría, pero la intuición física de Einstein, y su formación de filósofo, le permitieron hacerse las preguntas más profundas, las cuales le brindaron un punto de vista que los demás no imaginaban.
Uno de los científicos que estuvo muy cerca de dar con la relatividad fue Jules Henri Poincaré, uno de los matemáticos más importantes de su tiempo. Sin embargo, en los años siguientes, Einstein estaría solo, ya nadie le seguía los pasos. Atormentado por estar caminando por una senda que nadie había pisado, Einstein usaba todo el poder de su intelecto e imaginación para arrancar uno de los secretos mejor guardados de la naturaleza. Einstein caminaba una senda donde la experiencia cotidiana no nos puede ayudar, revelando un universo nuevo. Alcanzó el triunfo en 1915, cuando publicó Teoría General de la Relatividad. Se encontraba extenuado y cayó enfermo. Su vida personal era un desastre. Afligido por problemas intestinales, se ve forzado a guardar reposo en 1917. Europa estaba en guerra, había escasez de alimentos, lo que no era bueno para nadie. Einstein, quien durante ese tiempo trabajaba con una dedicación y concentración casi enfermiza, estuvo a punto de volverse loco. Se mudó a Berlín, donde gracias a los cuidados de su prima, Elsa Einstein Löwenthal, logra salir adelante. Sobrevive a un divorcio y a la muerte de su madre. Einstein se casaría con Elsa el 2 de junio de 1919. Ese mismo año, llegaría la primera confirmación de su Teoría General de la Relatividad, ese año se volvería famoso.
Einstein cuestionó los fundamentos de la física a principios del s. XX. Primero exploró el comportamiento de las leyes de los cuerpos cargados y los campos magnéticos cuando son evaluadas por observadores que se mueven a velocidad constante. Dedujo que los observadores no encontrarán diferencias si aceptamos que la velocidad de la luz es una constante universal. Esto es la esencia de su Teoría Especial de la Relatividad.
Con la Teoría General de la Relatividad, Einstein logra ver la relación entre el contenido material del universo y la forma del espacio-tiempo. Para caracterizar el espacio tiempo se introduce la curvatura. En este caso, la curvatura puede ser 0 (cero) si se trata de un plano o un cilindro, 1 (uno) si se trata de una esfera, pero la curvatura puede ser negativa. Lo que nos dice Einstein es que si sabemos cuánta materia tenemos, podemos predecir la forma del espacio-tiempo. Eso es lo que expresa en su famosa ecuación, también conocida como las ecuaciones de campo. Es una ecuación tan bella, que alejándonos de las recomendaciones de la buena divulgación, la ponemos aquí:
Es la forma abreviada de expresar un sistema de 16 ecuaciones integro-diferenciales, los términos en negritas son llamados tensores, los otros son constantes. Podemos reconocer el número π (pi), la constante general de la relatividad G, y la velocidad de la luz c, elevada a la cuarta potencia. Por el lado izquierdo tenemos los elementos que describen la geometría, mientras que del lado derecho tenemos el contenido material. Es así que saber la geometría del universo nos dice cuánta materia contiene y viceversa, pues tenemos una igualdad entre ambas cantidades.
Saber en qué clase de universo vivimos entonces se volvía un problema matemático. Si encontráramos que el universo es más complejo, tendríamos que añadir otros términos a esta ecuación, para describir otros procesos. Las observaciones nos han mostrado que el universo no sólo se expande, sino que se expande de forma acelerada, entonces hemos invocado a la energía oscura, como término extra. Ese es el modelo más general y simple que tenemos del universo.
El universo en expansión
La propiedad más importante en la que se apoya la idea del Big Bang es que el universo se encuentra en expansión. Tal descubrimiento ha significado uno de los más grandes momentos en la historia de la ciencia. Todo comenzó en la arena teórica. En cuanto Einstein publica la Teoría General de la Relatividad, los científicos con destreza matemática suficiente se empeñaron en buscar soluciones a las ecuaciones de campo. Tres personajes, separados por distancias culturales y sus respectivos estilos de vida marcados por la guerra, dieron con las primeras soluciones para el universo. Se trataba de un astrónomo holandés, un meteorólogo ruso y un sacerdote católico de origen belga. El holandés Willem de Sitter encuentra los primeros indicios de un universo en expansión. Alexander Friedman poseía un gran talento matemático, se desempeñaba como meteorólogo en su natal Rusia, estudió las ecuaciones de Einstein y demostró que incluso en ausencia de materia, las soluciones son inestables, es decir el universo sólo puede expandirse o contraerse, sus artículos fueron publicados entre 1922 y 1924. Georges Lemaître tenía formación de físico teórico, pero luego se ordenó como sacerdote. Mucha gente supone que Lemaître era un sacerdote jesuita, sin embargo, el Hermano Guy Consolmagno S.J., director del Observatorio del Vaticano me aclaró que Lemaître no era jesuita: Lemaître era un sacerdote diocesano. Independientemente de Friedman, Lemaître desarrolló un modelo donde marcaba el momento de la creación del universo como interpretación de algunas soluciones de las ecuaciones de campo de Einstein. Al considerar la expansión en reversa, se llegaba a un momento donde el espacio-tiempo se compactaba tanto que parecería un átomo. Lemaître le llamó el Átomo Primordial. Publicó sus resultados desde su natal Bélgica, en francés, en 1927. Sin embargo, Einstein ya reconocido como uno de los físicos más notables de todos los tiempos, había publicado en 1917 un modelo donde el universo era estático, lo frenó con la introducción de un parámetro que él mismo llamó la constante cosmológica. Einstein quería evitar el infinito. Atacó fuertemente a Friedman, pero le reconoció que las soluciones que había alcanzado eran correctas. En 1927, Lemaître y Einstein se encontraron. Lemaître le mostró sus soluciones. Einstein le respondió que ya las conocía y le mencionó a Friedman. Fue en ese momento en que Lemaître se enteró por primera vez del trabajo de Friedman. Einstein prefería su modelo, se aferraba, por razones filosóficas, a su modelo estático. Trataba con desesperación de acallar los gritos de expansión que salían de sus mismas ecuaciones. Acorralado, Einstein no pudo evitar amonestar a Lemaître con las palabras lapidarias: “Tus cálculos son correctos, pero tu interpretación física es abominable”. Esto hirió profundamente a Lemaître. Sin embargo, no tuvo que pasar mucho tiempo para mostrar que el genio más importante de todos los tiempos estaba equivocado. En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble demostró que el universo se encuentra en expansión. Así fue como de Sitter, Friedman y Lemaître se convierteieron en los abuelos del Big Bang. Otro sería el padre del Big Bang, respondía al nombre de George Gamow.
El año pasado la Unión Astronómica Internacional, el organismo que reúne a todos los astrónomos del mundo, reconoció el trabajo de Lemaître. A la ley de la expansión del universo la renombró Ley de Hubble-Lemaître. La historia de la humanidad ha quedado marcada cuando el 17 de agosto de 2017, se detectaron las ondas gravitacionales provenientes de la fusión de dos estrellas de neutrones (Saberes y Ciencias no. 69), esto pone de manifiesto que la Teoría General de la Relatividad de Einstein ha llegado a su madurez. Por eso, este siglo será reconocido como el Siglo de Einstein.
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