NeoFronteras

Una vez más Einstein tiene razón

Área: Espacio,Física — jueves, 10 de julio de 2008

Las medidas del movimiento de precesión en un sistema de púlsar binario confirman, una vez más, que la relatividad General es el mejor modelo que tenemos a la hora de describir los fenómenos gravitatorios intensos.

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Representación artística del sistema estudiado. Foto: Daniel Cantin, Darwin Dimensions. McGill University.

La Teoría General de la Relatividad es uno de los mayores logros intelectuales de la humanidad. Einstein llegó a ella por sus propios méritos y, a diferencia de la Relatividad Especial, no era algo que estuviera flotando en el ambiente intelectual de la época. Sin Einstein quizás ahora no contásemos con ella. Es además una teoría extraordinariamente bella.
Según esta teoría la energía o la masa es capaz de curvar el espacio-tiempo que le rodea. Las trayectorias de caída libre son geodésicas en ese espacio, el equivalente de las líneas rectas en el espacio plano. Las ecuaciones de Einstein se pueden escribir de una forma compacta y bella, pero son muy complejas. De algún modo podríamos decir que estas ecuaciones diferenciales en derivadas parciales están “realimentadas” por ellas mismas de tal manera que solamente se saben resolver analíticamente en casos muy simples.
La Relatividad General (RG), además de explicar los movimientos de objetos celestes, nos permite modelar la evolución del Universo en su conjunto. La Cosmología sin RG sería prácticamente imposible.
La primera vez que la RG fue comprobada se hizo gracias a un eclipse solar. Durante este tipo de eventos es posible ver las estrellas cercanas al Sol y se puede comprobar cómo sus posiciones relativas, vistas desde la Tierra, cambian. Esto se debe a que la luz sigue el espacio curvo que hay alrededor del Sol. Una variante de este efecto, que podemos ver ahora gracias al telescopio Hubble, son las galaxias lejanas que actúan como lentes gravitatorias y que a su alrededor presentan anillos o cruces de Einstein, que en realidad son imágenes distorsionadas de galaxias aún más lejanas que están en el borde del Universo observable.
Otra prueba que pasó esta teoría fue la descripción del desplazamiento del perihelio de Mercurio, y que supuso la confirmación de esta teoría como la que mejor describe los fenómenos gravitatorios intensos.
La penúltima vez que se puso a prueba esta teoría fue cuando la nave Cassini, en su viaje a Saturno, lanzo una haz de ondas de radio desde su posición a la Tierra con el Sol en medio del camino. Al igual que con el eclipse solar, los datos obtenidos fueron los que la teoría predice.
Ahora, una vez más, se ha vuelto a comprobar que Einstein tenía razón. En un artículo publicado en Science el pasado 3 de julio se confirma que las predicciones de esta teoría en la observación de un sistema de púlsares binarios son correctas.
No es la primera vez que se utilizan este tipo de objetos celestes como test de prueba para esta teoría, en los años setenta se vio cómo un sistema pulsares (el llamado PSR1913 +16) perdía energía según ésta se radiaba en forma de ondas gravitatorias al mismo ritmo que predecía la Relatividad General. Pero los sistemas de púlsares binarios no son muy abundantes en el Universo y ha habido que esperar para encontrar otro caso que permita otro tipo de comprobación.
Un púlsar es básicamente una estrella de neutrones, uno de los posibles remanentes de una explosión de supernova. Tienen un tamaño de unos diez kilómetros y una masa como la del Sol, condiciones que bajo el punto de vista gravitatorio son extremas. Como además tienen un campo magnético muy intenso modifican las trayectorias de las partículas subatómica que le rodean, y éstas emiten un haz de ondas electromagnéticas en la misma dirección que el eje magnético. Como el eje de rotación y el eje magnético no tiene por que coincidir, para nosotros se comportan como un faro cuyo haz nos alcanza periódicamente (a veces cientos de veces por segundo). Aunque no veamos directamente la estrella de neutrones, podemos ver con un radiotelescopio su haz de ondas de radio. Las medidas que se pueden tomar son además muy precisas.
De lo 1700 púlsares descubiertos en nuestra galaxia el sistema binario PSR J0737-3039A/B, descubierto en 2003 y situado a 1700 años luz de nuestro sistema solar, es de los poquísimos pulsares binarios conocidos. Las masas y distancia entre los púlsares de este sistema lo hacen ideal para estudiar los efectos relativistas que predice la teoría de la Relatividad General.
Según esta teoría, en este tipo de casos el eje de giro del pulsar debe de cambiar lentamente la dirección a la que apunta conforme orbita alrededor del centro de masas del sistema. Sería un movimiento similar al que efectúa una peonza y que se denomina precesión.
En el nuevo estudio han participado René Breton y Victoria Kaspi, de McGill University entre otros. Estos investigadores descubrieron que uno de estos pulsares efectivamente precesiona según la predicción de Einstein. Los investigadores determinaron que el eje de giro avanza 4,77 grados por año, un cantidad que cae dentro de los 5,07 predichos por la RG si tenemos en cuenta el margen de error. Si la teoría fuera errónea el pulsar simplemente no precesionaría o precesionaría de otra manera.
No se puede ver la orientación del objeto directamente debido a que los púlsares son demasiado pequeños y están muy lejos. Pero en este caso pudieron inferir esta orientación gracias al eclipse que se produce, en este caso, cuando un pulsar pasa por delante del otro. La magnetosfera del primero absorbe parte de la radiación emitida por el otro y así se sabe su orientación espacial. Después de varios años de observaciones pudieron determinar que la precesión observada es la misma que la predicha por la RG.
En el sistema solar las predicciones de la RG y de las teorías alternativas son muy similares, pero los campos gravitatorios muy intensos son mejores escenarios en los que someter a prueba estas teorías. La RG ha pasado esta prueba y cualquier otra teoría que se proponga deberá de pasar este mismo test. Ahora que ya se tienen los resultados experimentales debe de ser relativamente sencillo hacerlo.
Probablemente Einstein, si estuviera vivo, estaría contento con este resultado. Por cierto, las famosas ecuaciones son estas:

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa en McGill University.
Animaciones.
Podcast en inglés sobre el tema.
Artículo original (resumen).

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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6 Comentarios

  1. lluís:

    Einstein sigue creciendo. Pero uno de los problemas de la Física, es cómo encajar la RG y la MC, o sea, el problema de la gravedad cuántica.

  2. Atanasio:

    La afirmación de que “no tendríamos relatividad general sin Einstein” es lo que en Historia se denomina condicional contrafáctico, y en este caso es más que dudosa. Varias décadas antes de Einstein se especulaba ya sobre el origen geométrico de la gravitación (William K. Clifford). Hacia 1915 ya existían los elementos para una relatividad general (teoría de los invariantes, espacio-tiempo minkowskiano, inexplicables anomalías de la teoría newtoniana y, por supuesto, intuiciones sobre el carácter geométrico de la gravitación). Einstein, por supuesto, estaba en una posición privilegiada para articular debida y oportunamente esas piezas, y lo hizo. Pero, sin duda, cinco o diez años después muchos otros habrían estado frente a la misma posibilidad y con capacidad para sacarle provecho. No niego que tal vez hoy la relatividad general se presentaría como producto de un esfuerzo de varios investigadores -y no sólo de uno-, al igual que ocurrió con el monumental trabajo de Newton en los Principia; pero esto para la ciencia es más bien incidental -no así para la sociología del conocimiento-. En definitiva, con alta plausibilidad, la Relatividad General era históricamente inevitable antes de 1925. Gracias.

  3. NeoFronteras:

    La afirmación es obviamente no científica, pues no hay manera de comprobarla. Por lo tanto tampoco se puede afirmar lo contrario y que fuera inevitable que se descubriera, exactamente por la misma razón. Por lo tanto tampoco se puede negar que sin Einstein no se hubiera descubierto. Son simplemente opiniones.

  4. Atanasio:

    Apreciado Neo: Por supuesto, se trata de una opinión, pero de una opinión fundada que, además, es verificable o falseable. “… a diferencia de la Relatividad Especial, no era algo que estuviera flotando en el ambiente intelectual de la época.” Un historiador podría resolver la cuestión inspeccionando los anales científicos y la cultura de entonces para determinar si, más allá de la leyenda, esa afirmación es sostenible. Y deberíamos someternos a su veredicto. Mientras tanto, sin embargo, hay indicios que apuntan claramente en la dirección opuesta a dicha afirmación: Alrededor de 1875, el mencionado W.K. Clifford envió a la Cambridge Philosophical Society el resumen de un programa concreto para aplicar las geometrías no euclidianas a los fenómenos físicos, titulado “Sobre una Teoría de la materia en el espacio”. En ellas hablaba del efecto de una posible curvatura del espacio producido por la materia que influyera sobre el movimiento de los cuerpos y la trayectoria de la luz. Invocaba las geometrías no euclidianas como la herramienta matemática apropiada. Terminaba afirmando que se hallaba intentando un método general sin llegar todavía a ningún resultado lo suficientemente decisivo para comunicarlo. Por supuesto, le faltaban aún la Relatividad especial (el espacio-tiempo mimkowskiano) y el desarrollo de la Teoría de los invariantes (cálculo tensorial). Pero todo eso ya estaba disponible en 1915. El programa de Clifford se planteó 40 años antes. Creo que esto es un claro indicio. Un buen artículo para seguir la pista de este debate es el artículo “Las interacciones ciencia-sociedad a la luz de la relatividad y de su creador, Einstein”, de Juan Manuel Sánchez Ron (publicado en el libro “El siglo de la Física”, Tusquets, Barcelona, 1992). Gracias.

  5. darcruz2000:

    Buen día…

    Por supuesto que el espacio puede estar redefinido en una componente compleja un poco más allá del espacio-tiempo…
    Si ustedes revisan la solución de la hipótesis de Riemann (en la web de lulu.com) en su aparte final, se calculan una de las determinaciones en el espacio curvilíneo y complejo en una unidad exponencial simulado a la ecuación de Einstein sobre las ecuaciones tensoriales……

    Un abrazo.

  6. French:

    Atanasio + 1

    SalU2

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