La Revolución de la Física Moderna: De la Relatividad de Einstein al Big Bang

La crisis del paradigma mecanicista: Einstein y la relatividad

La teoría de la relatividad se desarrolló en torno al fascinante problema de la velocidad de la luz.

Hasta finales del siglo XIX, se pensaba que, dado un móvil que se desplaza en el interior de otro móvil, la velocidad del primero sería el resultado de sumar las velocidades respectivas de ambos cuerpos. Sin embargo, la velocidad de la luz era constante: ni se sumaba ni se restaba de la del móvil desde el que era proyectada. Este resultado fue tan extraño para la comunidad científica que lo achacaron a errores de medición.

Einstein resolvió este problema mediante la teoría de la relatividad, la cual trastocaba la ciencia mecanicista:

• Espacio y tiempo no son absolutos, sino que su valor depende de otras variables físicas. El espacio se curva por efecto de la gravedad, y de ahí que la geometría física no sea euclídea, sino obtusa.
• El espacio hiperbólico de Lobachevski, en el que existe no una, sino infinitas rectas paralelas a una recta dada que pasen por un punto exterior prefijado.
• El espacio elíptico de Riemann, en el que no existe ninguna recta paralela exterior a otra dada que no se intersequen.

La curvatura del espacio-tiempo

La curvatura del espacio-tiempo es una de las principales consecuencias de la Teoría General de la Relatividad, de acuerdo con la cual la gravedad es un efecto. Los cuerpos dentro de un campo gravitatorio siguen una trayectoria espacial curva, aun cuando en realidad pueden estar moviéndose según líneas del universo lo más "rectas" posibles. Las líneas más "rectas", o que unen dos puntos con la longitud más corta posible, se llaman líneas geodésicas; estas son líneas de curvatura mínima.

Materia y energía no son realidades distintas, sino diferentes manifestaciones de la misma realidad; de ahí que la materia pueda convertirse en energía y al contrario con la simple relación (E=mc²).

De Broglie y la dualidad onda-corpúsculo

Según el paradigma newtoniano, había fenómenos que eran de naturaleza corpuscular (como la luz) y otros de naturaleza ondulatoria (como el sonido). La mecánica cuántica, de la mano del físico francés Louis de Broglie, demostró que onda y corpúsculo son dos fenómenos que se dan siempre juntos: el movimiento de cualquier partícula lleva siempre aparejado una onda. Toda partícula es, en realidad, una onda-corpúsculo.

Heisenberg y el principio de incertidumbre

Al observar una partícula (por ejemplo, mediante un haz de fotones), al proyectar sobre ella ese haz, este rebotará sobre dicha partícula; esto hace que cambie su trayectoria y su velocidad. Por lo tanto, solo se puede determinar con probabilidad dónde está la partícula, pero no su posición y velocidad exacta. A esto se le denomina principio de incertidumbre de Heisenberg.

Según él, no es ni será posible establecer simultáneamente con certeza la velocidad y la posición de las partículas elementales que constituyen el cosmos.

Lorenz y el caos

El meteorólogo Edward Lorenz, mientras trataba de simular con ayuda de un ordenador el desarrollo del tiempo y los vientos, varió un dato redondeando una diezmilésima parte de una cifra. Descubrió que toda medida incorpora un cierto grado de error y, en sistemas como el clima, la predicción solo puede llevarse a cabo en términos probabilísticos. A estos sistemas los llamó Lorenz sistemas caóticos.

Estos están presididos por el efecto mariposa, término que procede del título de una conferencia de Lorenz: ¿Puede el batir de las alas de una mariposa en Brasil desencadenar un tornado en Texas?

El Big Bang y la expansión del universo

• Christian Doppler: Fue capaz de saber si una fuente de ondas sonoras o luminosas se acerca o se aleja del observador. Se denomina a tal efecto corrimiento al rojo o efecto Doppler, ya que, al alejarse, las estrellas emiten una longitud de onda tendente al rojo.
• Edwin Hubble: Postuló que la velocidad de las estrellas es superior si se encuentran más lejos de la Tierra. Si las estrellas se alejan, implica que el universo está en expansión.
• Georges Lemaître: Postuló la teoría del huevo cósmico, según la cual el universo era originalmente muy pequeño y de gran densidad.
• Anthony Gamow: Propuso pruebas para demostrar la existencia de una radiación de fondo o “eco del Big Bang primigenio”.
• Arno Penzias: Logró confirmar finalmente ese eco del Big Bang.