un siglo de la teoría de Einstein

Del GPS a las lupas cósmicas: aplicaciones actuales de la teoría de la relatividad

Cuando Einstein presentó su teoría de la relatividad general hace cien años, nadie se preguntó para qué servía. Hoy es imprescindible para que los navegadores con GPS nos lleven a nuestro destino

Foto: Einstein recibe su diploma honorífico de manos de Mann Bond, presidente de la Universidad Lincoln
Einstein recibe su diploma honorífico de manos de Mann Bond, presidente de la Universidad Lincoln

Cuando Einstein presentó, hace hoy justo cien años, su teoría de la relatividad general, no mucha gente entendió de qué estaba hablando (también hoy es difícil entender de qué trata), y desde luego nadie se preguntó para qué servía en la práctica saber eso. Probablemente la pregunta habría dejado perplejo al científico. 

"¿Cómo que para qué sirve? Pues no lo sé, para nada, pero es así", podríamos imaginar que respondió el científico a la hipotética pregunta. Einstein acababa de proponer un modelo para entender el universo y sus fenómenos. Según sus ideas, revolucionarias en la época pero hoy generalmente aceptadas, el espacio estaba asociado al tiempo y dependía de la materia-energía que contuviese. Con su postulado, resolvía un problema que la física de la época no había sabido solucionar: que las dos formulaciones principales del momento, la mecánica newtoniana y la electrodinámica, no siempre encajaban y por tanto no eran completamente válidas para describir el universo.

Y sin embargo, era todo pura teoría sin una utilidad práctica a la vista. Claro que si hoy repitiésemos la pregunta a Einstein y su teoría de la relatividad general, la respuesta cambiaría: la teoría de la relatividad ha llegado al plano práctico en muchos campos distintos, desde la tecnología de geolocalización hasta distintas corrientes filosóficas y culturales.

El GPS y la relatividad

Para fijar su localización, un dispositivo con GPS utiliza el momento en que cada satélite emitió su señal, determinado por el reloj atómico que cada uno lleva a bordo, junto a la velocidad de la luz, para calcular la distancia entre el propio dispositivo y los satélites con los que se comunica. Puesto que las órbitas de los satélites se conocen con precisión, y teniendo información de suficientes satélites, es sencillo calcular la posición exacta del dispositivo. Así sabe tu GPS dónde estás y cómo llevarte hasta donde quieres ir.

La tecnología GPS necesita ser extremadamente precisa en cuanto a tiempo y posición para ser útil. Para alcanzar una precisión de 15 metros, el tiempo debe ser exacto en un margen de unos 50 nanosegundos, que es el tiempo que necesita la luz para recorrer esos 15 metros. El problema es que, como explicó Einstein, la percepción del tiempo es distinta dependiendo de la intensidad del campo gravitatorio en que nos encontremos y de la velocidad a la que nos movemos, y no será igual en la superficie terrestre que a varios kilómetros de distancia, donde se encuentran los satélites. 

Gracias a la relatividad sabemos corregir el desfase entre relojes (Fuente: Investigación y Ciencia)
Gracias a la relatividad sabemos corregir el desfase entre relojes (Fuente: Investigación y Ciencia)

Los relojes de los satélites se mueven a unos 14.000 kilómetros por hora en una órbita que da la vuelta a la Tierra dos veces al día, lo que según la teoría de la relatividad especial de Einstein significa que avanzan un poco más lentos que los que se encuentran en Tierra. En concreto, unos siete microsegundos más despacio al día. Además, están situados a unos 20.000 kilómetros sobre la Tierra, donde la gravedad es cuatro veces más débil que en la superficie, lo que resulta en un avance más veloz. Específicamente, de unos 45 microsegundos más rápido al día.

El resultado final es que el reloj de un satélite GPS avanza unos 38 microsegundos más rápido al día  que un reloj en la superficie de la Tierra. Esto, que no parece mucho y que no es perceptible para la mayoría de los relojes y mucho menos para nosotros.

Bien, pues si no tuviésemos en cuenta las teorías de Einstein y los sistemas de GPS no compensasen esos desajustes, esto causaría unos errores de navegación que se irían acumulando hasta alcanzar los 10 kilómetros al día. Nada estaría donde nos dijesen los navegadores y los móviles, ni siquiera nosotros mismos. Esta es la aplicación más evidente de la teoría de la relatividad general de Einstein.

Las cruces y los anillos de Einstein

No es la única. Las ideas descritas por Einstein han servido para predecir fenómenos cósmicos que se han ido confirmando con el paso de las décadas y que han ayudado a entender mejor cómo es el universo. Un ejemplo son las lupas cósmicas. El físico predijo que, en determinados puntos del universo donde la concentración de masa es espectacularmente alta, la atracción gravitacional es tan fuerte que afecta a los rayos de luz que pasan cerca, desviándolos como si pasasen a través de enormes lupas cósmicas, llamadas lentes gravitacionales. Esto haría que los cuerpos que se encuentran tras esas lupas se vean magnificados desde la Tierra y sean más fáciles de estudiar. 

Una gran galaxia, en el centro, divide la luz de una supernova en cuatro imágenes amarillas, marcadas por las flechas, formando una cruz de Einstein
Una gran galaxia, en el centro, divide la luz de una supernova en cuatro imágenes amarillas, marcadas por las flechas, formando una cruz de Einstein

En 1979 se encontraba la primera de estas lupas, y en marzo de este 2015 se observaba por primera vez la imagen cuádruple de una supernova gracias a una de estas lentes gravitacionales. El fenómeno se bautizó como cruz de Einstein y servirá para entender mejor cómo se forman las supernovas: la luz de cada una de las imágenes captadas ha recorrido distintos caminos hasta llegar al telescopio que las captó, en este caso el Hubble, de forma que la explosión fue visible hace 50 años, hace 10 y lo será de nuevo dentro de otros 10 años. 

Unos meses después, en julio, los científicos anunciaban haber encontrado un anillo cósmico o anillo de Einstein (aunque no es el primero; se conocen cientos de anillos de Einstein, el primero observado en 1998). Es otra manifestación de un fenómeno parecido: la luz de una galaxia muy, muy lejana pasaba a través de una lente gravitacional y se desviaba, formando un anillo casi perfecto. Esto ocurre cuando el cuerpo emisor de luz, la lupa y el observador están casi perfectamente alineados.

Anillos de Einstein observados por el telescopio Hubble
Anillos de Einstein observados por el telescopio Hubble

Más allá de confirmar las ideas de Einstein, el fenómeno de las lupas gravitacionales ayudan a los astrónomos a observar lugares muy remotos del universo que de otra forma están fuera del alcance de nuestros instrumentos científicos, y con ello a aprender más sobre edades anteriores del cosmos, cuando se emitió la luz que nos llega desde tan lejos. 

El caso de los gemelos

Diez años antes de presentar su teoría de la relatividad general, en 1905, Einstein había enunciado la teoría de la relatividad especial que incluía la famosa paradoja de los gemelos. Básicamente, la teoría de la relatividad especial postula que la medida del tiempo no es absoluta, y que será diferente para dos observadores en distintos estados de movimiento. Es decir, que si cogemos a dos hermanos gemelos, dejamos a uno de ellos en Tierra y metemos al otro en una nave espacial a velocidades muy altas, cercanas a la de la luz, cuando el segundo vuelva será más joven que el primero porque para él, el tiempo habrá transcurrido más despacio. 

Scott y Mark Kelly, astronautas de la NASA
Scott y Mark Kelly, astronautas de la NASA

Bien, pues esta idea, formulada teóricamente pero nunca puesta en práctica, está en este momento poniéndose a prueba, aunque sus efectos serán en realidad imperceptibles. El 27 de marzo de este año, tres astronautas ponían rumbo a la Estación Espacial Internacional. Uno de ellos, Scott Kelly, tiene un hermano gemelo, Mark, que permanecerá en Tierra. Ambos, genéticamente idénticos, serán parte de un experimento para comprobar cómo afecta el envejecer en órbita.

Es de suponer que la estancia de 342 días en el espacio, con su ingravidez, dieta estricta y mayor radiación harán que Scott vuelva más envejecido que Mark, pero si Einstein tenía razón, paradójicamente, también volverá más joven. Al moverse la ISS a unos 27.743 kilómetros por hora de media, el tiempo pasará para él un poco más despacio que para su hermano en Tierra. En teoría, volverá unos 8 segundos más joven que su hermano.

Implicaciones filosóficas y sociales

La teoría de la relatividad de Einstein no tuvo solamente una repercusión estrictamente científica, sino que también caló en otros campos del saber, como la cultura y la filosofía. Y si no, piensen en todas las veces que han utilizado en una discusión el argumento de que "todo es relativo". La relatividad influyó en el posmodernismo y el relativismo como corrientes filosóficas. 

Antes de la relatividad existían corrientes de pensamiento que aseguraban que existía una verdad absoluta y un único modo de enfocar determinados aspectos de la vida. Pero si Einstein aseguraba que el paso del tiempo y otros fenómenos que se consideraban irrebatibles dependían en realidad de ciertos parámetros del observador, lo mismo podía ocurrir con conceptos como la verdad, del bien o del mal, por ejemplo, que dejarían de ser absolutos para depender del punto de vista de cada individuo.

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