Astronomía

La teoría de la relatividad general hace varias predicciones sobre el comportamiento del espacio y el tiempo. Una de estas predicciones, en términos cotidianos, es que cuanto más fuerte es la gravedad, más lento es el ritmo del tiempo. Tal afirmación va muy en contra de nuestro sentido intuitivo del tiempo como un flujo que todos compartimos. El tiempo siempre ha parecido el más democrático de los conceptos: todos nosotros, independientemente de la riqueza o el estatus, parecemos movernos juntos de la cuna a la tumba en la gran corriente del tiempo.

Pero Einstein argumentó que solo nos parece de esta manera porque todos los humanos hasta ahora han vivido y muerto en el entorno gravitacional de la Tierra. No hemos tenido la oportunidad de probar la idea de que el ritmo del tiempo podría depender de la fuerza de la gravedad, porque no hemos experimentado gravedades radicalmente diferentes. Además, las diferencias en el flujo del tiempo son extremadamente pequeñas hasta que se involucran masas verdaderamente grandes. Sin embargo, la predicción de Einstein ha sido probada, tanto en la Tierra como en el espacio.

Las pruebas de tiempo

Un ingenioso experimento en 1959 utilizó el reloj atómico más preciso conocido para comparar mediciones de tiempo en la planta baja y en el piso superior del edificio de física de la Universidad de Harvard. Para un reloj, los experimentadores usaban la frecuencia (el número de ciclos por segundo) de los rayos gamma emitidos por el cobalto radiactivo. La teoría de Einstein predice que un reloj de cobalto en la planta baja, al estar un poco más cerca del centro de gravedad de la Tierra, debería correr un poco más lento que el mismo reloj en el piso superior. Esto es precisamente lo que observaron los experimentos. Más tarde, los relojes atómicos se utilizaron en aviones de alto vuelo e incluso en uno de los vuelos espaciales de Gemini. En cada caso, los relojes más alejados de la Tierra corrían un poco más rápido. Mientras que en 1959 no importaba mucho si el reloj en la parte superior del edificio corría más rápido que el reloj en el sótano, hoy en día ese efecto es muy relevante. Cada teléfono inteligente o dispositivo que se sincronice con un GPS debe corregir esto (como veremos en la siguiente sección) ya que los relojes en los satélites funcionarán más rápido que los relojes en la Tierra.

El efecto es más pronunciado si la gravedad involucrada es del Sol y no de la Tierra. Si la gravedad más fuerte ralentiza el ritmo del tiempo, entonces una onda de luz o de radio que pasa muy cerca del borde del Sol tardará más en llegar a la Tierra de lo que esperaríamos sobre la base de la ley de la gravedad de Newton. (Toma más tiempo porque el espacio-tiempo se curva en la vecindad del Sol.) Cuanto menor sea la distancia entre el rayo de luz y el borde del Sol en la aproximación más cercana, mayor será el retraso en la hora de llegada.

En noviembre de 1976, cuando las dos naves espaciales Viking estaban operando en la superficie de Marte, el planeta se situó detrás del Sol visto desde la Tierra (Figura 1). Los científicos habían programado previamente el Viking para enviar una onda de radio hacia la Tierra que iría extremadamente cerca de las regiones exteriores del Sol. De acuerdo con la relatividad general, habría un retraso porque la onda de radio estaría pasando a través de una región donde el tiempo corría más lentamente. El experimento fue capaz de confirmar la teoría de Einstein en un 0,1%.

Figura 1. Retrasos de tiempo para las ondas de Radio cerca del Sol: Las señales de radio del módulo de aterrizaje Viking en Marte se retrasaron cuando pasaron cerca del Sol, donde el espacio-tiempo se curva relativamente fuerte. En esta imagen, el espacio-tiempo se representa como una lámina de goma bidimensional.

Corrimiento al rojo gravitacional

¿Qué significa decir que el tiempo corre más lentamente? Cuando la luz emerge de una región de fuerte gravedad donde el tiempo se ralentiza, la luz experimenta un cambio en su frecuencia y longitud de onda. Para entender lo que sucede, recordemos que una onda de luz es un fenómeno repetido-cresta sigue cresta con gran regularidad. En este sentido, cada onda de luz es un pequeño reloj, que mantiene el tiempo con su ciclo de onda. Si la gravedad más fuerte ralentiza el ritmo del tiempo (en relación con un observador externo), entonces la velocidad a la que la cresta sigue a la cresta debe ser correspondientemente más lenta, es decir, las olas se vuelven menos frecuentes.

Para mantener la velocidad constante de la luz (el postulado clave en las teorías de Einstein de la relatividad especial y general), la frecuencia más baja debe compensarse con una longitud de onda más larga. Este tipo de aumento en la longitud de onda (cuando es causado por el movimiento de la fuente) es lo que llamamos un corrimiento al rojo en la radiación y los Espectros. Aquí, debido a que es la gravedad y no el movimiento lo que produce las longitudes de onda más largas, llamamos al efecto un corrimiento al rojo gravitacional.

La llegada de la tecnología de la era espacial hizo posible medir el corrimiento al rojo gravitacional con una precisión muy alta. A mediados de la década de 1970, un máser de hidrógeno, un dispositivo similar a un láser que produce una señal de radio de microondas a una longitud de onda particular, fue transportado por un cohete a una altitud de 10.000 kilómetros. Se utilizaron instrumentos en tierra para comparar la frecuencia de la señal emitida por el máser propulsado por cohetes con la de un máser similar en la Tierra. El experimento mostró que el campo gravitacional más fuerte en la superficie de la Tierra realmente ralentizó el flujo de tiempo en relación con el medido por el máser en el cohete. El efecto observado coincidió con las predicciones de la relatividad general dentro de unas pocas partes en 100.000.

Estos son solo algunos ejemplos de pruebas que han confirmado las predicciones de la relatividad general. Hoy en día, la relatividad general es aceptada como nuestra mejor descripción de la gravedad y es utilizada por astrónomos y físicos para comprender el comportamiento de los centros de las galaxias, el comienzo del universo y el tema con el que comenzamos este capítulo: la muerte de estrellas verdaderamente masivas.

Relatividad: Una Aplicación Práctica

ahora usted puede preguntar: ¿por qué debería molestarme con la relatividad? ¿No puedo vivir mi vida perfectamente sin ella? La respuesta es que no se puede.Cada vez que un piloto aterriza un avión o usa un GPS para determinar dónde se encuentra en un viaje o caminata en el interior del país, usted (o al menos su dispositivo habilitado para GPS) debe tener en cuenta los efectos de la relatividad general y especial.

El GPS se basa en una serie de 24 satélites que orbitan la Tierra, y al menos 4 de ellos son visibles desde cualquier punto de la Tierra. Cada satélite lleva un reloj atómico preciso. Su receptor GPS detecta las señales de esos satélites que están sobre la cabeza y calcula su posición en función del tiempo que han tardado esas señales en llegar a usted. Supongamos que desea saber dónde se encuentra a menos de 50 pies (los dispositivos GPS en realidad pueden hacer mucho mejor que esto). Dado que solo se necesitan 50 mil millonésimas de segundo para que la luz viaje 50 pies, los relojes de los satélites deben sincronizarse al menos con esta precisión, y, por lo tanto, se deben tener en cuenta los efectos relativistas.

Los relojes de los satélites orbitan la Tierra a una velocidad de 14.000 kilómetros por hora y se mueven mucho más rápido que los relojes en la superficie de la Tierra. De acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, los relojes de los satélites son más lentos que los relojes basados en la Tierra en aproximadamente 7 millonésimas de segundo por día. (No hemos discutido la teoría especial de la relatividad, que trata de los cambios cuando los objetos se mueven muy rápido, por lo que tendrá que tomar nuestra palabra para esta parte.)

Las órbitas de los satélites están a 20.000 kilómetros por encima de la Tierra, donde la gravedad es aproximadamente cuatro veces más débil que en la superficie de la Tierra. La relatividad general dice que los relojes en órbita deberían marcar unas 45 millonésimas de segundo más rápido de lo que lo harían en la Tierra. El efecto neto es que el tiempo en un reloj satelital avanza unos 38 microsegundos por día. Si no se tuvieran en cuenta estos efectos relativistas, los errores de navegación comenzarían a acumularse y las posiciones se perderían unas 7 millas en un solo día.

Glosario

corrimiento al rojo gravitacional:

aumento de la longitud de onda de una onda electromagnética (luz) al propagarse desde o cerca de un objeto masivo