domingo, 26 de julio de 2009

EINSTEIN PROVEE EL MARCO TEORICO


La cosmología es el estudio del origen y la evolución del universo considerado como un todo. Son dos los pilares que sustentan la cosmología moderna: el marco teórico de la Relatividad de Einstein y los datos de observaciones astronómicas del cielo profundo. Las observaciones de Hubble en 1929 de la expansión del universo, y la comprobación de la existencia de otras galaxias como la nuestra dan origen a la cosmología "experimental". La teoría de la Relatividad General desarrollada por Einstein (1915) permite la formulación del modelo de Big Bang.
Antes de Einstein los conceptos de fuerza, espacio y tiempo tenían un carácter absoluto y cuando eran aplicados a la cosmología daban resultados contradictorios. Para Newton el espacio y el tiempo tienen existencia propia fuera de los cuerpos materiales. El espacio es un contenedor donde se albergan los objetos y existe independiente de ellos. Si pudiéramos remover todos los objetos, el contenedor permanecería. Para la cosmología el concepto de espacio recipiente absoluto tiene problemas: si consideramos todas las galaxias y cúmulos y estructuras superiores de galaxias que observamos y las introducimos en este recipiente, surge la necesidad de definir una frontera más allá de la cual no existe nada. Nos podemos imaginar un habitante en la última galaxia justo en la frontera del universo, si este salta la frontera y viaja hacia fuera se topara algún día con el borde mismo del contenedor. ¿Qué hay más allá de ese borde? Necesitaríamos otro contenedor aún más grande para poder colocar el primer contenedor, y así ad infinitum. Algo similar ocurre con el tiempo: ¿Hubo un comienzo del tiempo? y ¿Qué sucedió antes del comienzo?
Con la teoría especial de la Relatividad (1905) Einstein desarrolla una formulación de las leyes físicas en el espacio-tiempo, un espacio de 4 dimensiones de las cuales el tiempo recibe el mismo tratamiento que el espacio. En esta formulación las magnitudes físicas que entran en las ecuaciones deben ser independientes del marco de referencia, por ejemplo la magnitud de un intervalo en el espacio-tiempo debe ser invariante. Si este mismo intervalo se mide en dos marcos de referencia, uno en movimiento relativo al otro, cada observador mide 4 componentes (3 de espacio y una de tiempo) las cuales pueden adquirir valores distintos en los dos marcos de referencia, sin embargo la magnitud del intervalo calculada usando los valores de las componentes resulta siempre el mismo (vg. invariante). De aquí se desprende la insólita realidad que de alguna forma el espacio y el tiempo son intercambiables. Son intercambiables en el sentido de que el mismo intervalo en el espacio-tiempo cuando se observa en dos marcos de referencia distintos puede dar proyecciones de la componente tiempo que son distintas en cada marco de referencia. En términos prácticos lo que esto significa es que al tiempo no se le puede dar una interpretación absoluta: si un astrónomo en la Tierra observa la explosión de una supernova el 8 de julio de 1995 a las 18:05:00, el mismo evento será observado a un tiempo diferente por un astronauta en movimiento relativo a la Tierra. Para que el espacio-tiempo de la Relatividad Especial funcione, Einstein tuvo que imponer una restricción fundamental en la velocidad de la luz: esta es constante, la misma para todos los marcos de referencia y nada en el universo puede superar la velocidad de la luz.
Equipado con la formulación 4-dimensional de las leyes físicas en marcos de referencia no acelerados, Einstein aborda el tema de las leyes físicas para marcos de referencia acelerados resolviendo muy elegantemente el problema de la gravedad. En la física de Newton la gravedad es una fuerza de atracción entre los cuerpos dotados con masa. El problema aquí radica en la inexplicable acción a distancia que debe operar entre los dos cuerpos para que la interacción gravitacional pueda tener efecto. Supongamos que pudiéramos quitar el Sol. Según la mecánica de Newton la Tierra inmediatamente sentiría la carencia de la fuerza de gravedad hacia el Sol y seguiría un movimiento rectilíneo tangente al punto donde perdió contacto con el Sol. Es decir, la gravedad de Newton es una interacción que actúa instantáneamente, lo cual implica la transmisión de algo a velocidad infinita en contradicción con los principios de la Relatividad Especial.
En la Relatividad General el espacio-tiempo adquiere cierta curvatura como respuesta a la presencia de masa (o energía), los cuerpos siguen las trayectorias a lo largo de la línea más corta (en el espacio curvo de 4 dimensiones) que une los puntos extremos de la misma. Es decir, los cuerpos se mueven libremente como si no sintieran una fuerza, la gravedad simplemente es una manifestación de la curvatura del espacio mismo. Con esto se remueven las dificultades de la acción a distancia: la Tierra se mueve en su órbita como una partícula libre siguiendo la curvatura del espacio producida por la masa del Sol. Si el Sol fuese a desaparecer, una onda de deformación de la curvatura, propagándose a la velocidad de la luz, llegaría a la Tierra 7 minutos más tarde informándole que ya el Sol no existe. Los problemas ya mencionados con los conceptos de espacio y tiempo como entidades absolutas también son resueltos en la Relatividad de Einstein. Para describir el espacio-tiempo en la Relatividad encontramos apropiado, con cierta ironía, acudir a los conceptos Aristotélicos de sustancia y accidente. Podríamos decir que el espacio y el tiempo son accidentes (atributos) de la materia, y así como el color verde (accidente) es un atributo que no existe fuera de la materia (existe la hoja verde, pero no el verde fuera de la hoja), el espacio y el tiempo no existen fuera de la materia/energía.

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