A.1. Introducción histórica (nivel A).

 A.1.1. ¿Quién fue Einstein?

Einstein se convirtió en el paradigma de genio no sólo por su inteligencia, sino porque además vivió una época agitada (las dos guerras mundiales y la posguerra) en la que la ciencia y la técnica empezaron a ser valoradas por el público y por la prensa.

Es muy raro que un científico sea reconocido en su época como genio y ello por varios motivos. El primero y más importante es que tienen ideas revolucionarias, en el sentido de que rompen con esquemas fuertemente establecidos. Además con frecuencia son arrogantes y provocadores y en muchos casos no sólo no evitan sino que buscan los enfrentamientos.

Einstein no se libró de las envidias y resentimientos, pero tuvo más suerte que otros, porque la prensa ensalzó sus cualidades más positivas y nunca se cebó en sus importantes defectos humanos (no fue muy buen padre ni muy buen marido).

Einstein publicó su teoría de la Relatividad Especial en 1905 (tenía 26 años) junto con otros dos artículos de aspecto más clásico pero no menos importantes.

Su artículo sobre el movimiento Browniano fue bien aceptado porque además de explicar un fenómeno que desconcertaba a sus contemporáneos, reforzaba la teoría atómica, que en aquellos tiempos tenía serios detractores.

En su segundo artículo proponía una explicación del efecto fotoeléctrico basada en el concepto de que la energía luminosa está cuantificada. Este artículo reforzó la idea de que la radiación de naturaleza ondulatoria presenta también propiedades corpusculares (propiedades de partículas). Este principio de dualidad fue uno de los pilares para el desarrollo de la mecánica cuántica.

Fig. 1.1 -  Einstein en Berna en 1905 (The Miracle Year)

En su tercer artículo exponía la Relatividad Especial, sobre la que hablaremos extensamente en las páginas siguientes. Era un artículo demasiado revolucionario para su época porque, como el del efecto fotoeléctrico, daba fuerza de realidad a conceptos que en su tiempo apenas se aceptaban como “trucos de cálculo”. Además en él Einstein no hacía referencia a los resultados obtenidos por otros (Lorentz, Poincaré, ...) y esto parecía un desprecio y una actitud arrogante que no sería bien aceptada por algunos de sus contemporáneos.

De los tres artículos el más cuestionado fue sin duda el de la Relatividad, ya que implicaba renunciar al concepto de espacio y tiempo absolutos sobre los que se había edificado toda la física y la ciencia hasta entonces. A muchos científicos les parecía un precio excesivo para resolver el problema generado con el experimento de Michelson y Morley (del que también hablaremos más adelante).

Quizás el hecho de que Einstein no estaba trabajando en la universidad (trabajaba en la oficina de patentes de Berna, Suiza) cuando publicó sus tres artículos contribuyó a evitarle muchas críticas.

La Teoría de la Relatividad de su primera publicación fue recibida con mucho escepticismo por parte de la comunidad científica, pero no con excesiva inquietud, ya que sus aportaciones eran muy teóricas, aportando pocas consecuencias comprobables experimentalmente.

Sin embargo a finales del mismo año 1905 completó su teoría con una segunda parte en la que introducía su famosa ecuación de la energía relativista.

Einstein proponía que esta ecuación establecía para la energía (por ejemplo la luz o las ondas de radio) propiedades similares a la masa. Una posible consecuencia es que la luz sería desviada por la gravedad de los astros, en contra de lo que se creía hasta entonces.

Sin embargo la ecuación encerraba también la posibilidad de que la masa se pudiera transformar en energía, aunque nadie sabía entonces como podría hacerse tal cosa.

En 1908 Einstein consiguió una plaza de profesor en la universidad de Berna y en los años siguientes se mudó a Praga y después a Berlín.

Fueron años de intenso trabajo y de problemas conyugales, pero podríamos decir que Einstein seguía siendo un perfecto desconocido para el público. Su teoría de la Relatividad Especial tenía poca difusión y no era muy aceptada.

 A.1.2. La fama alcanza a Einstein

En 1915 (antes de que su Relatividad Especial fuera aceptada o hubiera recibido alguna confirmación experimental importante) Einstein volvió a sorprender al mundo con su teoría de la Relatividad General, expuesta primero en unas conferencias y completada a lo largo de varios artículos publicados entre 1915 y 1916.

Aunque muy pocos entendieron la Relatividad General cuando se publicó, los pocos que lo hicieron realizaron una importante labor de desarrollo y difusión de esta nueva teoría.

Fig. 1.2 -  Los físicos más importantes de principios de siglo XX reunidos en Bruselas en 1927

En líneas generales podríamos decir que esta teoría extiende las ideas de la Relatividad Especial a entornos acelerados, y en particular a los campos gravitatorios. Einstein descubrió que la gravedad se puede interpretar como una deformación de la geometría del espacio y desarrolló esta idea utilizando una matemática bastante complicada llamada geometría diferencial.

En esta segunda teoría las ecuaciones eran complicadas y él mismo pensaba que nunca se podrían resolver. Sin embargo dentro del mismo año de 1916 Karl Schwarzschild encontró una solución exacta y bastante sencilla que animó a la comunidad científica a tomar en serio aquella nueva teoría.

Einstein aplicó la Relatividad General (a partir de ahora abreviaremos R.G.) a explicar porqué la órbita de Mercurio gira un poco más de lo debido en cada revolución, acumulando con los años una precesión o avance del perihelio de unos 43” por siglo (un poco más de una centésima de grado), lo cual ya se consideró un logro extraordinario, aunque muchos siguieron pensando que era a costa de una complejidad excesiva.

Sin embargo fue la predicción de que la gravedad de los astros curvaría la trayectoria de la luz la que le daría fama, ya que pudo ser comprobada experimentalmente por Sir Arthur Eddington en 1918, con ocasión de un eclipse de Sol.

Dada la complejidad de la Relatividad General en sus primeras formas, esta comprobación experimental no convenció a la comunidad científica, aunque si llamó la atención de la prensa y dió gran popularidad a Einstein.

El premio Nobel que se le concedió en 1921 era un reconocimiento a las grandes aportaciones científicas que había hecho en las dos primeras décadas del siglo XX, pero debido a la gran controversia que aun generaba su teoría de la Relatividad, se lo concedieron por su artículo de 1905 sobre el efecto fotoeléctrico.

Después de la primera guerra el creciente nacionalismo alemán hizo que sus orígenes judíos le generasen muchos enemigos (científicos y no científicos) en Alemania, con lo que terminó por emigrar a Estados Unidos en 1933.

Para entonces el prestigio del genio ya era universal y muchos científicos iban aceptando la Relatividad e incluso trabajando seriamente en su desarrollo y aplicaciones.

Fig. 1.3 -  Einstein, premio Nobel en 1921

El espaldarazo definitivo de sus teorías llegaría poco antes de la segunda guerra mundial, cuando a lo largo de la década de 1930 Fermi descubrió las reacciones nucleares usando uranio enriquecido. Fermi llegó a controlar estas reacciones en la Universidad de Chicago en 1942,  confirmando que la masa se puede transformar en energía, tal como sugeríamos al comentar la famosa ecuación de Einstein (ecuación 1).

Ante el mundo la prueba definitiva llegó al final de la segunda guerra mundial con la bomba atómica.

Aunque Einstein siempre fue un abanderado del pacifismo, en 1939 firmó un documento dirigido al presidente de Estados Unidos en el que, ante la posibilidad de que los nazis desarrollasen una bomba atómica (tenían la tecnología y los conocimientos necesarios),  proponía la conveniencia de que Estados Unidos también la desarrollasen.

Estados Unidos desarrollaron la bomba de fisión y la probaron en julio de 1945 en Alamogordo, utilizándola poco después sobre Hiroshima (6 de agosto) y Nagasaki (9 de agosto).

 A.1.3. La Relatividad Especial y la ciencia en la actualidad.

Einstein contribuyó con sus artículos de 1905 al nacimiento de dos teorías importantes que marcaron el siglo XX: la relatividad especial y la mecánica cuántica.

Estas dos teorías aportaron una revolución intelectual tanto dentro de la ciencia como fuera de ella, dejando profundas huellas en la evolución de la sociedad y en la manera en que el ser humano se ve hoy a si mismo y a su lugar en el mundo (filosofía, antropología, ...).

A finales del siglo XX estas dos teorías se consideraban ya “superadas” (en el mismo sentido en que lo está la mecánica de Newton), es decir, nadie esperaba obtener ninguna nueva consecuencia revolucionaria de ellas y por tanto se consideraban cerradas.

Los rudimentos de ambas teorías se enseñan hoy en el bachillerato (está en el programa oficial y se considera adecuado a este nivel) y se suelen incluir exposiciones elementales en la mayoría de carreras de ciencias e ingeniería.

Estas son las buenas noticias, pero también las hay malas, ya que muchos de estos avances son sólo humo, ya que ninguna de estas dos especialidades se suelen entender ni siquiera superficialmente.

En secundaria se suelen saltar estos temas y en muchas universidades se ven rápido y mal, como mucho dando importancia a los resultados, pero saltándose los conceptos necesarios para entenderlas.

En consecuencia la mayoría de estudiantes universitarios (incluyendo a los futuros profesores que las enseñaran en secundaria y en los cursos introductorios de universidad) que han estudiado la R.E. en su carrera creen que la teoría es sólo un modelo y que no refleja la realidad. Es decir, les han enseñado que deben aceptar sus consecuencias pero no “creen” que espacio y tiempo sean relativos.

Incluso entre los especialistas en estas materias está de moda hablar de las teorías como “modelos” que caducarán y serán superados en breve, lo cual es en parte cierto, pero no en el fondo, pues los conceptos básicos y claramente comprobados permanecerán, como permanece la mecánica de Newton a pesar de que su teoría se considere superada.

Así a principios del siglo XXI nos encontramos con un importante divorcio entre la ciencia y la calle que habría que evitar. Muchas veces el público ha visto la ciencia (y especialmente la Relatividad y la Mecánica Cuántica) como algo distante y difícil de entender, y ahora esto se suele juntar con una imagen de inseguridad y precariedad que hace desconfiar al público tanto de la ciencia como de los científicos.

En cierta manera podríamos decir que la ciencia se está politizando en el peor sentido de la palabra. Las prioridades se establecen en función de personas e intereses y las grandes decisiones (investigación genética, cambio climático, grandes aceleradores, estación espacial, ...) se toman de cada vez de forma más irracional y con menor conocimiento de causa, con todos los peligros que esto implica.

Sin duda la gran asignatura pendiente para los científicos del siglo XXI es la divulgación, hacer llegar este conocimiento a las grandes masas, es decir, democratizar la ciencia.

 A.1.4. La Relatividad General en la actualidad.

Aunque el tema de este texto es la R.E., queremos cerrar esta introducción histórica con una mirada a la R.G.

Einstein murió en 1955 y aunque para el público era la viva imagen del genio, su teoría de la Relatividad General apenas había despegado (publicada en 1915, tenía ya 40 años), lo cual es prueba clara de su complejidad matemática.

Parecía que todas las consecuencias importantes de la Relatividad se encontraban ya en la Relatividad Especial, entonces ¿porqué complicarse la vida con la Relatividad General?

Lo cierto es que las dificultades de cálculo propias de la R.G. hacían que fuera difícil obtener resultados aplicables al laboratorio o a nuestro entorno inmediato, y tuvimos que esperar al desarrollo de los ordenadores (que también despegaron con la segunda guerra mundial) para ver un desarrollo importante de la R.G.

Fig. 1.4 -  Einstein en Estados Unidos en 1948

De hecho el fenómeno más próximo a nosotros en el que la R.G. juega un papel importante hoy en día son los relojes en órbita. Veremos que por el hecho de ir a velocidades importantes su tiempo va más lento, tal como predecía la R.E., pero por el hecho de encontrarse a gran altura y por tanto sometido a una gravedad menor, su tiempo va un poco más rápido que lo previsto por la R.E.

Así pues, cuando se necesita gran exactitud (como por ejemplo en los satélites GPS), sólo la R.G. permite calcular con suficiente precisión las correcciones a aplicar a estos relojes.

La mayoría de las demás aplicaciones de la R.G. están fuera de nuestro planeta, en el estudio de las estrellas, las galaxias, los agujeros negros y la evolución del Universo. Sin duda la cosmología actual no existiría sin la R.G., pero no ha contribuido demasiado a popularizar esta teoría, sino que ha reforzado la sensación de que sólo es asequible a los especialistas.

Es seguro que la R.G. algún día será accesible a mucha más gente, pero seguirá siendo inaccesible mientras no se hagan esfuerzos importantes para que deje de serlo.

En las páginas siguientes intentaremos aportar nuestro grano de arena a esta labor divulgativa.