MIÉRCOLES DE LIBRO

HISTORIA DEL TIEMPO

(Del Big Bang a los Agujeros Negros)

Stephen Hawking

Capítulo 2: ESPACIO Y TIEMPO (Páginas: 45 – 57)

En relatividad, no existe una distinción real entre las coordenadas espaciales y la temporal.

La superficie terrestre es bidimensional porque la posición de un punto en ella puede ser especificada por medio de dos coordenadas, latitud y longitud.

Un rayo de luz del sol sigue la línea diagonal y tarda cuatro años en ir del sol a Alfa Centauro.

Las ecuaciones de Maxwell predecían que la velocidad dela luz debería de ser la misma cualquiera que fuera la velocidad de la fuente.

Cuando miramos al universo, lo vemos tal como fue en el pasado.

Si se ignoran los efectos gravitatorios, tal y como Einstein y Poincaré hicieron en 1905, uno tiene lo que se lama la teoría de la relatividad especial. Nada puede viajar más rápido que la velocidad dela luz.

La teoría de la relatividad especial tuvo un gran éxito al explicar por qué la velocidad de la luz era la misma para todos los observadores. Sin embargo, la teoría era inconsistente con la teoría de la gravitación de Newton, que decía que los objetos se atraían mutuamente con una fuerza dependiente de la distancia entre ellos. En otras palabras, los efectos gravitatorios deberían viajar con velocidad infinita, en vez de con una velocidad igual o menor que la de la luz como la teoría de la relatividad especial requería. Einstein realizó entre 1908 y 1914 varios intentos, sin éxito, para encontrar una teoría de la gravedad que fuera consistente con la relatividad especial. Finalmente, en 1915, propuso lo que hoy en día se conoce como la teoría de la relatividad general.

Einstein hizo la sugerencia revolucionaria de que la gravedad no es una fuerza como las otras, sino que es una consecuencia de que el espacio-tiempo no sea plano, como previamente se había supuesto: es espacio-tiempo está curvado, o “deformado”, por la distribución de masa y energía en él presente. Los cuerpos como la tierra no están forzados a moverse en órbitas curvas por una fuerza llamada gravedad; en vez de esto, ellos siguen la trayectoria más parecida de una línea recta en un espacio curvo, es decir, lo que se conoce como una geodésica. Una geodésica es el camino más corto (o más largo) entre dos puntos cercanos. Por ejemplo, la superficie de la tierra es un espacio curvo bidimensional. Las geodésicas en la tierra se llaman círculos máximos, y son el camino más corto entre dos puntos.

La masa del sol curva el espacio-tiempo de tal modo que, a pesar de que la tierra sigue un camino recto en el espacio tiempo cuadrimensional, nos parece que se mueve en una órbita circular en el espacio tridimensional.

Los rayos de luz también deben seguir geodésicas en el espacio-tiempo. De nuevo el hecho de que el espacio-tiempo sea curvo significa que la luz ya no parece viajar en líneas rectas en el espacio. Así, la relatividad general predice que la luz debería ser desviada por los campos gravitatorios. La luz de una estrella distante, que pase cerca del sol, será desviada un pequeño ángulo, con lo cual la estrella parecerá estar, para un observador en la tierra. Sin embargo, dado que la tierra gira alrededor del sol, deferentes estrellas parecen pasar por detrás del sol y su luz es desviada.

Otra predicción de la relatividad general es que el tiempo debería trascurrir más lentamente cerca de un cuerpo de gran masa como la tierra. Ello se debe a que hay una relación entre la energía de la luz y su frecuencia (es decir, el número de ondas de luz por segundo): cuanto mayor es la energía, mayor es la frecuencia. Cuando la luz viaja hacia arriba en el campo gravitatorio terrestre, pierde energía y, por lo tanto, su frecuencia disminuye. (Esto significa que el período de tiempo entre una creta de la onda y la siguiente aumenta). A alguien situado arriba le parecería que todo lo que pasara abajo, en la tierra transcurriría más lentamente. Esta predicción fue comprobada en 1962, usándose un par de relojes muy precisos instalados en l aparte superior e inferior de un depósito de agua. Se encontró que el de abajo, que estaba más cerca de la tierra, iba más lento, de acurdo exactamente con la relatividad general.

Las leyes de Newton del movimiento acabaron con la idea de un aposición absoluta en el espacio. La teoría de la relatividad elimina  el concepto de un tiempo absoluto. Consideremos un par de gemelos. Supongamos que uno de ellos se va a vivir a la cima de una montaña, mientras que el otro permanece al nivel del mar. El primer gemelo envejecerá más rápidamente que el segundo. Así, si volvieran a encontrarse, uno sería más viejo que el otro. En este caso, la diferencia de edad sería muy pequeña, pero sería mucho mayor si uno de los gemelos se fuera de viaje, en una nave espacial a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando volviera, sería mucho más joven que el que se quedó en la tierra.  Esto se conoce como la paradoja de los gemelos, pero es sólo una paradoja si uno tiene siempre metida en la cabeza la idea de un tiempo absoluto en la teoría de la relatividad no existe un tiempo absoluto único, sino que cada individuo posee su propia medida  personal del tiempo, medida que depende de dónde está y de cómo se mueve.

Antes de 1915, se pensaba en el espacio y en el tiempo como si se tratara de un marco fijo en el que los acontecimientos tenían lugar, pero que no estaba afectado por lo que en él sucediera. Era natural pensar que el espacio y el tiempo habían existido desde siempre.

La situación es, sin embargo, totalmente diferente en el teoría de la relatividad general. En ella, el espacio y el tiempo son cantidades dinámicas: cuando un cuerpo se mueve, o una fuerza actúa, afecta a la curvatura del espacio y del tiempo, y, en contrapartida, la estructura del espacio-tiempo afecta al modo en que los cuerpos se mueven y las fuerzas actúan. El espacio y el tiempo no sólo afectan, sino que también son afectados por todo aquello que sucede en el universo. De la misma manera que no se puede hablar acerca de los fenómenos del universo sin las nociones de espacio y tiempo, en relatividad general no tiene sentido hablar de espacio y del tiempo fuera de los límites del universo.

En las décadas siguientes al descubrimiento de la relatividad general, estos nuevos conceptos de espacio y tiempo iban a revolucionar nuestra imagen del universo. La vieja idea de un universo esencialmente inalterable que podría haber existido, y que podría continuar existiendo pro siempre, fue reemplazada por el concepto de un universo dinámico, en expansión que parecía haber comenzado hace cierto tiempo finito y que podría acabar en un tiempo finito en el futuro. La teoría de la relatividad general de Einstein implicaba que el universo debía tener un principio y, posiblemente, un final.