En 1905, un joven Albert Einstein desarrollaba la teoría de la relatividad especial con la que asombraría al mundo. Ahí empezó el bulo de que solo las personas más inteligentes del planeta serían capaces de entenderla. No ayudó que en 1915 le diese una vuelta y publicase la teoría de la relatividad general. Esa que incluía la existencia de las ondas gravitacionales.
No vamos a tratar nada relacionado con su formulación matemática, tranquilo. Pero sí haremos hincapié en algunos fenómenos cotidianos que se ven afectados por la teoría de la relatividad. ¿Sabías que el reloj de los satélites no va a la misma velocidad que el que llevas en la muñeca?
La Tierra no sale disparada hacia el vacío
Einstein afirmó que la gravedad era el resultado de deformar el espacio-tiempo. Solo los genios de por aquel entonces tanteaban ya una idea parecida, pero fue él quien desarrolló matemáticamente las ideas. Y estas encajaban, sobre el papel.
Que la gravedad sea la manifestación de lo doblado que está el cosmos no es fácil de ver. Nuestra mente solo trabaja en tres dimensiones y el propio espacio-tiempo ya tiene cuatro. Si tenemos que añadir punto a punto una variable más (la gravedad), nuestro cerebro colapsa.
Sin embargo, hay una forma fácil de ‘ver’ la gravedad simplificando muchísimo el universo. En lugar de pensar en intentar ver todo un sistema solar, ¿por qué no nos centramos en el plano de la Tierra y la Luna? (No están a escala).
En el dibujo de arriba se aprecia, en horizontal, la rebanada de espacio-tiempo que nos interesa. En vertical se observa cómo de hundida está esa rebanada cósmica debido a la masa de la Tierra. También la Luna tiene un pequeño impacto. Pero ¿qué significa todo esto?
La Luna está atrapada dentro del campo gravitatorio terrestre como un barco en un remolino. Su masa cae constantemente por este sumidero cósmico, pero su velocidad impide que ruede ladera abajo. De modo que se mantiene en equilibrio más o menos estático.
Lo cierto es que el satélite se aleja unos 3,78 cm/año. De haber tenido ojos, las criaturas unicelulares del Proterozoico habrían contemplado una Luna gigantesca. Esta misma relación de equilibrio se da entre la Tierra y el Sol, y supone todo un alivio. La alternativa es vernos lanzados a la oscuridad.
¿Por qué el oro es dorado y no gris o plateado?
Demos un paseo por la tabla periódica. Esa que memorizamos en el cole y que hemos olvidado. Tanto el iridio (Ir) como el platino (Pt), a la izquierda del oro (Au), son metales plateados. La plata (Ag), justo encima, también. ¿Por qué el oro es dorado? ¿Por qué no grisáceo como el mercurio (Hg) o el talio (Tl), a su derecha?
La respuesta está en el modo en que el último de los electrones da tumbos de un lado a otro. Y de la relatividad. Pongamos, por ejemplo, el átomo de plata (Ag). La mayoría de los lectores no recordarán ya qué significan los números de abajo, la configuración electrónica de la plata:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10 5s1
Lo que importa es la parte resaltada en negrita. Quiere decir que en la quinta capa (orbital s) hay un electrón. Cuando este electrón se mueve, uno de los diez que quedan en el orbital anterior (d) salta para ocupar su lugar, y luego vuelve de nuevo al orbital d.
La energía liberada en el proceso del 4d al 5s y viceversa se produce en el rango del ultravioleta. Esto no lo vemos, claro, pero sí percibimos una tonalidad cercana al blanco: el color plateado. ¿Por qué no pasa esto en el oro? ¿Por qué lo vemos dorado?
En parte, porque el oro es un poco más complejo. Le caben muchos más electrones y es más grande. Como otros elementos de su columna en la tabla periódica (arriba), tiene un electrón en la última capa. Esto se ve también en su estructura electrónica, al final:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d10 6s1
¿Qué significa todo esto? Jorge Bolívar, en su libro ‘El día que descubrimos el universo’, comenta que “algunos de los electrones más externos de los átomos grandes circulan en torno al núcleo con una rapidez cercana a la mitad de la velocidad de la luz, y sufren en consecuencia alteraciones espacio/temporales que marcan sus características”.
En el cobre y la plata, el electrón solitario no se desplaza sobre el núcleo a tanta velocidad. Y la teoría de la relatividad dice que cuando un objeto se acerca a la velocidad de la luz, aumenta su masa. Debido a esto, el electrón reduce significativamente su radio.
Esto da como resultado que la energía liberada al moverse (esa que en la plata veíamos como blanca) ahora se encuentre en el borde del espectro visible (azul). Si iluminamos el oro, este absorbe la luz azul y devuelve ese tono dorado por el que las civilizaciones se han vapuleado a lo largo de la historia.
los peculiares segundos de los relojes de los gps
Volvemos a las escalas macroscópicas, a lo que podemos ver, y salimos de la Tierra. Sobre nuestras cabezas, una miríada de satélites nos ayudan a realizar numerosas actividades del día a día. En concreto, 24 de ellos son muy importantes para nosotros porque nos guían mientras conducimos.
Los satélites GPS fueron lanzados en 1964, y estuvieron a punto de ser un completo fracaso. Durante la fase de diseño, a alguien se le ocurrió que, debido a su altura y velocidad, la relatividad tendría algo que decir. Menos mal que alguien levantó la mano, porque la velocidad a la que transcurre el tiempo depende de la gravedad, pero también de la velocidad del objeto.
Cuando analizaron las ecuaciones de Einstein a fondo, se dieron cuenta de que los satélites se adelantarían. En concreto, 38 microsegundos por día. Parece poco, pero supone un error acumulativo de 10 km diarios. A regañadientes (porque los altos cargos no entendían las ecuaciones) se tomó una solución.
Cada madrugada, los relojes se retrasarían 38 µs con un dispositivo instalado en los satélites. Se ordenaba cada 24 horas desde el centro de mando en Louisiana, aunque ahora tenemos una solución más elegante. Los relojes atómicos con los que medimos el tiempo en la Tierra trabajan a una frecuencia de 10,23 MHz. Sin embargo, los del GPS usan 10,2299999543 MHz, porque su tiempo avanza a una velocidad diferente.
¿Por qué el mercurio fluye a temperatura ambiente si es un metal?
Volvemos a los metales, esta vez a uno realmente raro y tóxico llamado mercurio. Tan extraño que los griegos lo llamaron hydrargyros, una combinación de hydros (agua) y argyros (plata). El mercurio es un metal pesado y está justo al lado del oro. Pero tiene tres neutrones, un protón y un neutrón más.
Esta variación es lo que hace que el oro adorne nuestro cuello y el mercurio nos lleve al hospital. También que el segundo fluya y el primero solo sea muy maleable. Mostramos de nuevo la estructura electrónica. Esta es casi idéntica a la del oro, pero con dos electrones en el orbital s:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d10 6s2
¿Recuerdas qué pasaba cuando el electrón del 6s1 del oro corría a toda velocidad por el núcleo? Ganaba masa. Pues ahora imaginemos lo que hacen dos de estos electrones atravesando constantemente el átomo. El aumento de masa es tan notable que toda la energía del orbital se reduce.
Al menos, eso es lo que diría un químico. Para la gente de la calle, se traduce en que los electrones tienen menos tendencia a participar en reacciones químicas. Son electrones asociales que dicen “no” a los clásicos enlaces metálicos que dan forma a estos elementos.
Prefieren ir por su cuenta. Los átomos de mercurio, en lugar de quedarse unos junto a otros, van cada uno por su camino. De ahí que, como el agua, no tengan estructura definida. Y que sea un metal líquido a temperatura y presión ambiente.
¿Ves las estrellas? Pues en realidad no están ahí
Pocas actividades hay más placenteras que contemplar el cielo nocturno. En noches despejadas uno puede ver el disco de la Vía Láctea iluminarlo todo. Claro que las ciudades tienen tanta contaminación lumínica que hay que alejarse bastante de ellas. ¿No son bonitas las estrellas? ¿Y si te confesamos que, en realidad, no están ahí?
Damos un salto hacia atrás. A ese 1915 en que Einstein afirmaba que el espacio-tiempo se comba con la presencia de masas. La Tierra o la Luna son masas capaces de deformar la estructura del espacio-tiempo. Lo hemos visto con los satélites y sus peculiares relojes.
Siendo así, imagina lo que harán las estrellas supermasivas o los agujeros negros al universo. Como poco, deformarlo tanto que incluso la luz gira en lugar de avanzar en línea recta por el cosmos. Para intentar visualizar esto, veamos un ejemplo con la sonda Cassini (la que colisionó con Saturno en 2017).
Cuando estaba operativa, la Cassini nos enviaba información muy valiosa desde la órbita de este gigante gaseoso. Esta información, en forma de ondas de radio, atravesaba buena parte del sistema solar interior. No es un viaje fácil porque tiene que sortear el pozo gravitatorio solar.
En una analogía con el béisbol, es como lanzar una bola curva para evitar el viento. La Cassini no podía apuntar directamente a la Tierra porque la deformación del sistema solar, por la presencia de la masa solar, habría hecho que la señal pasase de largo.
Esta deformación de la línea recta que debería seguir la señal ocurre también con la luz de las estrellas. Cada vez que la luz sale disparada de una estrella, avanza en línea recta hasta que se topa con un campo gravitatorio fuerte. Cuando esto ocurre, los fotones van girando en dirección al campo.
De ahí que cuando miras al cielo estrellado, estás viendo las estrellas en una posición relativa. No es la suya. En realidad, su luz se ha curvado, aunque sea mínimamente, y no están ahí. Las implicaciones de la relatividad de Einstein afectan a nuestra cultura y vida diaria y también afectarán a nuestro futuro.
Cuando tengamos una colonia en Marte, nuestras señales de radio no superarán la velocidad de la luz. Esto significa que estaremos a unos tres minutos-luz en las épocas buenas y a 22 minutos-luz en las malas. Imaginemos un walkie-talkie con esas esperas. Así nos afecta la relatividad.
En Nobbot | Detectan la cuarta onda gravitacional con la colaboración de equipos españoles
En Nobbot | Abocados a un universo totalmente a oscuras
Imágenes | Jackie Ramirez, iStock/the-lightwriter, Vikidia, iStock/johan63, El pak, iStock/ados, Denis Degioanni, NASA
Mi saludo cordial Con respecto a los Efectos relativistas-gravitacionales derivados del principio de Equivalencia de la T.G.R. quisiera colegiar la siguiente observación:
Si tenemos en cuenta que:
1ro- Uno de tales efectos es la variación de la ENERGIA de los objetos físicos en función del Campo Gravitacional que lo afecta (confirmado experimentalmente por el conocido Corrimiento al Rojo Gravitacional).
2do- La Física Teórica actual reconoce que el Espacio-Tiempo es un componente REAL del universo, cuya naturaleza física está dada por la llamada Energía del Vacío.
Entonces, ¿resulta coherente afirmar que ”la ENERGIA del Espacio-Tiempo VARIA en función de la magnitud del campo Gravitacional que lo afecta”?!
Doctor: Mi saludo cordial. Con respecto a los «efectos relativistas-gravitacionales que se derivan del Principio de Equivalencia de la T.G.R», el propio Albert Einstein describió en su articulo para la revista Anales de la Física No 7 del 11 de mayo del 1916 el efecto referido a que «la LONGITUD de una varilla se contrae en proporción a la magnitud del campo gravitacional que la afecta (ya que Aceleración y Gravitación son EQUIVALENTES)», SIN EMBARGO, en ese texto ni en ningún otro que al menos yo conozca, se hace referencia a que «la MASA RELATIVISTA (ENERGÍA) de esta varilla TAMBIÉN debe VARIAR ya que esta magnitud física, al igual que el Tiempo y la Longitud, también se subordina al Factor de Lorentz para cuerpos en movimiento NO inercial (o sea, con ACELERACIÓN, que en este caso equivale a GRAVITACION)», entonces, por que’ no se encuentran referencias bibliográficas de este efecto relativista-gravitacional referido a la MASA RELATIVISTA?!. Atentamente, Jose