¿Cómo empezó todo?
A finales del siglo XIX, la física se encontró en crisis: había perfectos
Teoría especial de la relatividad
Sin embargo, ninguno de estos eminentes físicoslogró armar toda la historia. La esperanza permaneció en el joven Albert Einstein, quien en ese momento ya había comenzado a abordar el problema de una manera nueva. A los dieciséis años se preguntó cómo sería viajar con un rayo de luz. En 1905, había demostrado que los resultados de Fitzgerald y Lorentz se derivaban de una suposición simple pero radical: las leyes de la física y la velocidad de la luz deben ser las mismas para todos los observadores en movimiento uniforme, independientemente de su estado de movimiento relativo.
Para que esto “funcione”, hay más espacio y tiempono puede ser independiente. Más bien, se "convierten" entre sí de tal manera que la velocidad de la luz permanece constante para todos los observadores. Esta es la razón por la cual los objetos en movimiento parecen encogerse, como teorizaron Fitzgerald y Lorentz, y por qué los observadores en movimiento pueden medir el tiempo de manera diferente, como teorizó Poincaré. El espacio y el tiempo son relativos, es decir. Es decir, dependen del movimiento del observador que los mide, y la luz es más fundamental que ambos. Ésta es la base de la teoría especial de la relatividad de Einstein ("especial" se refiere a la limitación del movimiento uniforme).
Principio de equivalencia
Poco después de completar su teoría especialEinstein tuvo "el pensamiento más feliz de su vida". Sucedió en 1907 mientras estaba sentado en su silla en la oficina de patentes de Berna y se preguntaba cómo sería intentar dejar caer una pelota desde el costado de un edificio. Einstein se dio cuenta de que una persona que acelerara hacia abajo con una pelota no sería capaz de detectar el efecto de la gravedad sobre ella. El observador puede «transformar» gravedad (al menos en las inmediaciones) simplemente moviéndose hacia este marco de referencia acelerado, sin importar qué objeto se deje caer. La gravedad es (localmente) equivalente a la aceleración. Este es el principio de equivalencia.
Para entender lo maravilloso que es realmente.Principio de equivalencia, imagina lo que sucedería si la gravedad actuara de la misma manera que otras fuerzas. Si la gravedad fuera como la electricidad, por ejemplo, las bolas con más carga se sentirían más atraídas hacia la Tierra y, por tanto, caerían más rápido que las bolas con menos carga. No habría manera de transformar tales efectos moviéndose al mismo marco de referencia acelerado para todos los objetos. Pero la gravedad es “ciega a la materia”: afecta a todos los objetos por igual. A partir de este hecho, Einstein llegó a la impresionante conclusión de que la gravedad no depende de las propiedades de la materia (como, por ejemplo, la electricidad depende de la carga eléctrica). Más bien, el fenómeno de la gravedad debe originarse en alguna propiedad del espacio-tiempo.
La gravedad como un espacio-tiempo curvo
Einstein finalmente determinó la propiedad.espacio-tiempo, que es responsable de la gravedad, así como de su curvatura. El espacio y el tiempo en el universo de Einstein ya no son planos (como implícitamente supuso Newton), sino que la materia puede tirar, estirar y deformar. La gravedad se siente con más fuerza donde el espacio-tiempo es más curvo y desaparece donde el espacio-tiempo es plano. Ésta es la esencia de la teoría de la relatividad general de Einstein, que a menudo se puede expresar con las palabras: "la materia le dice al espacio-tiempo cómo doblarse, y el espacio-tiempo curvo le dice a la materia cómo moverse".
La forma estándar de ilustrar esta idea es:Coloque una bola de boliche (que represente, por ejemplo, un objeto masivo como el sol) sobre una lámina de goma estirada (que represente el espacio-tiempo). Si coloca una bola en una hoja de goma, rodará hacia la bola de boliche e incluso se puede poner en "órbita" alrededor de la bola de boliche. Esto no se debe a que la masa más pequeña sea "atraída" por la fuerza que emana de la más grande, sino a que se mueve a lo largo de una superficie que ha sido deformada por la presencia de la masa más grande.
Asimismo, la gravedad en la teoría de Einsteinsurge no como una fuerza que se propaga en el espacio-tiempo, sino más bien como una característica del propio espacio-tiempo. Según Einstein, su peso en la Tierra se debe al hecho de que su cuerpo viaja en un espacio-tiempo curvo.
Teoría general de la relatividad
Teoría general de la relatividad (relatividad general; it. allgemeine Relativitätstheorie) es una teoría geométrica de la gravitación, que desarrolla la teoría especial de la relatividad (SRT), que postula que las fuerzas gravitacionales e inerciales son de la misma naturaleza.
De ahí se sigue que los efectos gravitacionalesno son causadas por la interacción de fuerzas de cuerpos y campos ubicados en el espacio-tiempo, sino por la deformación del propio espacio-tiempo, que está asociada, en particular, a la presencia de masa-energía.
La relatividad general se diferencia de otras teorías métricas de la gravitación al utilizar las ecuaciones de Einstein para relacionar la curvatura del espacio-tiempo con la materia presente en él.
La relatividad general se basa físicamentesobre el principio de equivalencia, pero esta teoría tiene una segunda base más matemática. Conocido como el principio de covarianza general, es un requisito que la ley de la gravitación universal sea la misma para todos los observadores, incluso los que aceleran, independientemente de las coordenadas en las que se describa. Es por esta razón que Einstein llamó a su nueva teoría teoría de la relatividad "general" y no "especial": eliminó la restricción previamente existente sobre los observadores en movimiento uniforme. Este resultó ser el problema más difícil que jamás haya enfrentado Einstein. Como dijo más tarde, expresar leyes físicas sin coordenadas es como "describir pensamientos sin palabras". El físico tenía que dominar las matemáticas abstractas de las superficies y su descripción en términos de tensores.
¿Qué descubrieron los científicos?
La gravedad de un agujero negro es tan fuerte quedobla el espacio. Actúa como una especie de lupa, por lo que la sombra de este objeto cósmico parece más grande de lo que realmente es. Los científicos del Event Horizon Telescope (EHT) estudiaron esta distorsión visual y descubrieron que el tamaño real de la sombra del agujero negro M87 coincide con las predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein.
Según afirma Keiichi Asada, miembro del consejo científico del EHTy experto en observaciones de radio de agujeros negros en el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica, su método es “una forma completamente nueva de probar la relatividad general utilizando agujeros negros supermasivos”.
¿Cómo llegaron los científicos a sus conclusiones?
Cuando se publicó el primero en abril de 2019imagen de un agujero negro, se convirtió en una poderosa confirmación de la teoría de la gravedad o relatividad general de Albert Einstein. La teoría no sólo describe cómo la materia distorsiona el espacio-tiempo, sino que también predice la existencia misma de los agujeros negros, incluido el tamaño de la sombra proyectada por el agujero negro sobre el material del disco brillante que gira alrededor de algunos objetos densos.
Para realizar la prueba, el equipo utilizó el primerImagen jamás capturada del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia vecina M87, a unos 55 millones de años luz de distancia, tomada por el EHT el año pasado.
Imagen icónica del negro supermasivoEl agujero mostró que la sombra corresponde plenamente a las predicciones de la relatividad general con respecto a su tamaño. En otras palabras, Einstein tenía razón... otra vez.
Este resultado, informado por Event Horizon Telescope Collaboration, respondió a una pregunta: ¿El tamaño del agujero negro M87 está en línea con la relatividad general?
Pero “es muy difícil responder lo contrariola pregunta es: ¿cuánto puedo modificar la relatividad general y aun así igualar las medidas [del agujero negro]? Esta pregunta es clave porque todavía es posible que alguna otra teoría de la gravedad pudiera describir el universo, pero disfrazado de relatividad general.
La probabilidad de que Einstein se equivoque se ha reducido en un factor de 500.
En un estudio publicado el 1 de octubre en Physical Review Letters, Psaltis y sus colegas utilizaron la sombra del agujero negro M87 para dar un paso importante hacia la refutación de estas teorías alternativas.
El equipo realizó un análisis muy amplio de muchosmodificaciones de la relatividad general para definir una característica única de la teoría de la gravedad que determina el tamaño de la sombra de un agujero negro. Los científicos se han centrado en una serie de alternativas que han pasado todas las pruebas anteriores en el sistema solar.
“Con el sensor que desarrollamos,demostró que el tamaño medido de la sombra del agujero negro en M87 reduce el margen de maniobra para las modificaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein en casi 500 veces en comparación con las pruebas anteriores en el sistema solar ”, explica el profesor de astrofísica de Uarizona Ferial Ozel, miembro principal de la Colaboración EHT. "Muchas formas de alterar la relatividad general fallan en esta nueva y más dura prueba de la sombra del agujero negro".
Una visualización de un nuevo sensor diseñado para probar las predicciones de las teorías modificadas de la gravedad frente a una medición del tamaño de la sombra de M87.
Crédito: D. Psaltis, Universidad de Arizona; EHT
Para tener confianza en los resultados, los científicosutilizó el tamaño de un agujero negro para realizar lo que se conoce como una prueba de relatividad general de “segundo orden”. Esto "no se puede hacer en el sistema solar" porque el campo gravitacional es demasiado débil, explica Leah Medeiros del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, también miembro del EHT.
Pruebas de la teoría de Einstein
En general, ahora los físicos presentan una teoría generalla relatividad como un conjunto de correcciones o adiciones a la teoría de la gravedad de Newton. La relatividad general predice cuáles deberían ser estas superestructuras. Si las mediciones de cómo funciona la gravedad en el universo se desvían de estas predicciones, entonces los físicos saben que la relatividad general no lo es todo. Cuantas más adiciones o factores se agreguen a la prueba, más confianza en el resultado. Las nuevas pruebas y comprobaciones de los agujeros negros no tardarán en llegar.
Simulación del agujero negro M87 que muestrael movimiento del plasma mientras gira alrededor del agujero negro. El anillo delgado y brillante que se puede ver en azul es el borde de lo que llamamos la sombra de un agujero negro. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Sin embargo, si se ha confirmado la relatividad general, ¿por qué algunos físicos están descontentos con los resultados? El punto es que la relatividad general entra en conflicto con la mecánica cuántica.
Relatividad versus mecánica cuántica: la batalla por el universo
Los físicos llevan décadas intentando reconciliar dos teorías muy diferentes. Y si todo está claro con la teoría general de la relatividad, ¿por qué la mecánica cuántica se niega a obedecer las leyes de Einstein?
Los físicos tienen actualmente dosun conjunto de reglas que explican cómo funciona la naturaleza. Existe una teoría general de la relatividad que explica perfectamente la gravedad y todo lo que ella determina: la rotación de los planetas, las galaxias en colisión, la dinámica del Universo en expansión en su conjunto. Esta es la «ciencia de las grandes cosas».
Y también está la mecánica cuántica, que se ocupacon otras tres fuerzas: el electromagnetismo y dos fuerzas nucleares. La teoría cuántica es extremadamente hábil a la hora de describir lo que sucede cuando un átomo de uranio se desintegra o cuando partículas individuales de luz entran en una célula solar. Ésta es la «ciencia de las pequeñas cosas».
Mecánica cuántica: una sección de teoríafísica, que describe fenómenos físicos en los que la acción es comparable en magnitud a la constante de Planck. Las predicciones de la mecánica cuántica pueden diferir significativamente de las predicciones de la mecánica clásica.
El choque de descripciones de la realidad verdaderamente incompatibles
Ahora al problema:la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica son teorías fundamentalmente diferentes que tienen diferentes formulaciones. No se trata solo de una cuestión de terminología científica; es un choque de descripciones de la realidad verdaderamente incompatibles.
El conflicto entre las dos mitades de la física se ha estado gestando durante más de un siglo, provocado por un par de obras de Einstein en 1905, una de las cuales describe la teoría de la relatividad y la otra, la cuántica.
Esencialmente se puede pensar en una división entreteoría de la relatividad y los sistemas cuánticos como “suaves” y “cortos”. En la relatividad general, los eventos son continuos y deterministas, lo que significa que cada causa corresponde a un efecto local específico.
En mecánica cuántica, los eventos causados porLas interacciones de partículas subatómicas ocurren a saltos (sí, saltos cuánticos) con resultados probabilísticos más que definitivos. Las reglas cuánticas permiten conexiones prohibidas por la física clásica. Esto quedó demostrado en un experimento ampliamente discutido. Luego, los científicos demostraron que dos partículas, en este caso electrones, pueden influirse instantáneamente entre sí, incluso si están a kilómetros de distancia. Cuando se intenta interpretar leyes relativistas suaves en un estilo cuántico sucinto, o viceversa, las cosas no salen según lo planeado.
Respuestas sin sentido
La relatividad da respuestas sin sentido cuandoestá tratando de reducirlo a un tamaño cuántico, y eventualmente cayendo a valores infinitos en su descripción de la gravedad. Del mismo modo, la mecánica cuántica se encuentra con serios problemas cuando la infla a proporciones cósmicas. Los campos cuánticos transportan una cierta cantidad de energía incluso en un espacio aparentemente vacío, y la cantidad de energía aumenta a medida que aumentan los campos. Según Einstein, la energía y la masa son equivalentes (este mensaje es E = mc 2), por lo que acumular energía es exactamente como acumular masa. Lo suficientemente grande, y la cantidad de energía en los campos cuánticos será tan grande que creará un agujero negro que obligará al universo a plegarse sobre sí mismo. Sin embargo, como puede ver, esto no sucede.
En pocas palabras, la mecánica cuántica es incompatible con la relatividad general porque, en la teoría cuántica de campos, las fuerzas actúan localmente mediante el intercambio de cuantos bien definidos.
¿Cuál es el resultado final?
Como resultado, el nuevo resultado es un poco decepcionante.físicos que esperan encontrar grietas en la teoría de Einstein. Encontrar una desviación de la relatividad general podría señalar el camino hacia una nueva física. O podría ayudar a combinar la relatividad general, la física de lo muy grande y la mecánica cuántica, la teoría principal que describe la física de objetos muy pequeños como partículas subatómicas y átomos. El hecho de que la relatividad general todavía se niegue a obedecer "nos preocupa a aquellos de nosotros que tenemos la edad suficiente para esperar obtener una respuesta en nuestra vida", dice Psaltis.
Probar la teoría de la gravedad es una búsqueda constante:¿Son las predicciones de la relatividad general lo suficientemente buenas para varios objetos astrofísicos que los astrofísicos no se preocupan por las posibles diferencias o modificaciones de la relatividad general?
Ilustración de diferentes fuerzas de campos gravitacionales,explorado con pruebas cosmológicas, pruebas del sistema solar y agujeros negros. Créditos y derechos de autor: D. Psaltis, Universidad de Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Sin embargo, las observaciones futuras con el EHT harán aún máspruebas precisas de la relatividad general, especialmente con imágenes inéditas de Sgr A * (Sagitario A *), un agujero negro en el centro de la Vía Láctea. Con mediciones mucho más precisas de la masa de Sgr A * que cualquier otro agujero negro supermasivo, esta imagen podría cambiar la relatividad general.
Sagitario A *. Esta imagen fue capturada por Chandra, el Observatorio de rayos X de la NASA. Los ecos de luz están marcados con elipses. Imagen completa: 12,5 minutos de arco (fuente)
“Las imágenes de los agujeros negros revelan completamenteun nuevo ángulo para probar la teoría general de la relatividad de Einstein”, explica Michael Kramer, director del Instituto Max Planck de Radioastronomía y miembro de la colaboración EHT.
“Junto con las observaciones de ondas gravitacionales, esto marca el comienzo de una nueva era en la astrofísica de los agujeros negros”, está seguro Psaltis.
"Cuando obtenemos una imagen de un agujero negro en el centro de nuestra propia galaxia, podemos limitar aún más las desviaciones de la relatividad general", concluye Ozel.
¿Einstein tendrá razón entonces? ¿Y cuál es el destino de la mecánica cuántica?
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