Albert Einstein - nacido un 14 de marzo de 1879, un día como hoy - es probablemente el genio científico más conocido. Su capacidad creativa le permitió soñar con una física totalmente nueva y liderar revoluciones científicas; entre ellas, su obra maestra: la teoría de la relatividad general.

Como todos los años, la Universidad de Princeton, lugar donde Einstein vivió más de 20 años y hogar de algunos de los más respetados matemáticos del mundo, organizará una gran fiesta de cumpleaños que durará toda una semana, llamada "Pi Day". Este año es especial porque además se celebran los 100 años del descubrimiento de la teoría de la relatividad general.

Aunque la mayoría de la gente suele reconocer fácilmente la imagen Einstein, muchos no han tenido aún la ocasión de conocer algunos de los detalles más asombrosos y las sorprendentes implicancias de esta teoría. Así que pasamos a contárselos.

La relatividad general es una teoría que describe el movimiento de todos los objetos a gran escala, incluyendo estrellas, planetas y galaxias. Todos conocemos - o al menos experimentamos - las leyes del movimiento y de la gravitación universal de Isaac Newton; ya que los objetos aun obedecen estas leyes en casi toda experiencia humana. Sin embargo, las leyes de Newton son inexactas al describir la gravedad producida por objetos masivos, como agujeros negros o estrellas compuestas de neutrones.

Ante esto, Einstein ideó una descripción totalmente nueva de la gravedad. En primer lugar, se dio cuenta de que los objetos del universo existen en tres dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo. Así que los combinó en un modelo espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Entonces, el movimiento de un objeto a lo largo de toda su historia en el universo podría ser completamente descrito por su trayectoria en el espacio-tiempo.

Un espacio-tiempo de cuatro dimensiones es un reto para todos nosotros si queremos imaginarlo. Así que, para simplificar las cosas, vamos a imaginar al espacio-tiempo como un lienzo plano en el que toda la materia se encuentra.

Si ponemos una bola de bowling encima de nuestro lienzo, la bola generará una hundidura o depresión en la superficie. De la misma manera, un objeto masivo como el Sol doblará significativamente el espacio-tiempo en el sistema solar.

Como Einstein demostró, los objetos relativamente pequeños como planetas o cometas, al moverse en el espacio-tiempo curvo de objetos mucho más grandes, serán desviados en trayectorias curvas en lugar de viajar en líneas rectas. Esto no se debe, como diría Newton, a una fuerza invisible que hace que los objetos más pequeños sean atraídos por los objetos más grandes; sino porque los objetos masivos curvan el tejido del espacio-tiempo en el que los objetos más pequeño deben moverse.

En un famoso experimento mental, Einstein imaginó a una persona dentro de un ascensor sin ventanas ubicado en la superficie de la Tierra, y a otra persona en un ascensor similar pero en el espacio, lejos de nuestro planeta y acelerando a la misma proporción debido a la gravedad de la Tierra. Todos hemos experimentado la aceleración en los ascensores: sentimos que el suelo nos empuja por debajo de nuestros pies cuando comienza a moverse hacia arriba.

Lo que Einstein se dio cuenta es que no es posible que una persona pueda distinguir entre la fuerza de gravedad y este tipo de aceleración; por lo tanto, no existía diferencia fundamental.

Casualmente, cuando nos acercamos al centenario del descubrimiento de la teoría de la relatividad general, los físicos están a punto de confirmar directamente la última predicción no comprobada de Einstein en esta teoría: una masa acelerando produce ondas gravitacionales, es decir, ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo. En la teoría de Einstein, estas ondas se propagan a la velocidad de la luz, llevando consigo información invaluable sobre el objeto que las creó.

Imagen: http://eltallerdelaeam.com/

Los astrofísicos ya tienen pruebas indirectas de la existencia de estas ondas gravitacionales. En 1993, Russel Hulse y Taylor Joseph fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por este tipo de detección indirecta a través de sus observaciones de un par de estrellas de neutrones que se mueven una alrededor de la otra - lo que se conoce como pulsar binario - y que emiten ondas electromagnéticas al mismo tiempo.

Observaron que la órbita de estas dos estrellas fue perdiendo energía gravitacional exactamente a la tasa prevista por Einstein; ya que, en teoría, las ondas gravitacionales se estaban llevando la energía lejos del sistema binario.

Sin embargo, detectar directamente estas ondas gravitacionales es otra historia. Es un experimento muy difícil debido a que estas elusivas ondas gravitacionales son muy débiles, incluso las generadas por colisiones de los objetos más masivos del universo.

Las avanzadas instalaciones de las gemelas LIGO, junto a una red mundial de detectores, esperan poder realizar las primeras detecciones directas en los próximos años; marcando el comienzo de una nueva era en la astrofísica. Si todo va según lo previsto, estas nuevas observaciones de ondas gravitacionales permitirán a los investigadores detectar directamente cosas impensables hasta ahora, como la fusión de dos agujeros negros o las colisiones de estrellas de neutrones.

Las celebraciones organizadas por la Universidad de Princeton justamente se esfuerzan por comunicar toda esta belleza y emoción al público en general. Es un esfuerzo verdaderamente colaborativo e interdisciplinario entre los departamentos de Física, Historia, Comunicación, Música, Cine, Fotografía, Arte y Arquitectura.

También podemos celebrar su cumpleaños a través de algunas muy buenas aplicaciones sobre Einstein para Ipad:

No sé cuantos sabíamos que un científico llamado Thomas Harvey se fugó con el cerebro de Einstein mientras realizaban la autopsia al famoso físico en 1955. El Dr. Harvey diseccionó el cerebro de Einstein en 170 partes diferentes. Desde entonces, el acceso al tejido cerebral de Einstein se ha limitado a un pequeño grupo de investigadores.

Sin embargo, la finca Harvey donó ésta colección al Museo Nacional de Salud y Medicina de Chicago. Este museo digitalizó la colección y sacó a la venta Einstein's Brain: una aplicación para Ipad que da la oportunidad al público en general de examinar el tejido cerebral del reconocido físico.

Por otro lado tenemos Calling Einstein, una novela gráfica para Ipad que ayudará a los lectores curiosos a aprender más sobre agujeros negros, gravedad y la vida fuera de nuestro Sistema Solar. Aunque también podemos consultar BrainPOP: una aplicación gratuita que permite al usuario ver una película sobre la vida de Albert Einstein.

Pero las celebraciones no se acaban aquí. El 2015 se celebrarán los 110 años de la teoría de la relatividad especial. ¿Y de qué se trata esta teoría? Fue postulada por Albert Einstein en 1905 y revolucionó la forma de entender la Física y hasta la forma de concebir el mundo. Lo primero que cambió fue la idea de que existe un tiempo absoluto.

Imaginemos que estamos en el interior de un tren que pasa por la estación a una cierta velocidad. En un momento dado, encendemos una linterna apuntando hacia el suelo del tren. Evidentemente, la luz desciende, se refleja en el suelo y vuelve a subir. Si sostuvimos la linterna a un metro del suelo, tendremos que la luz ha recorrido 2 metros.

Ahora imaginemos que una persona nos observa desde la estación mientras pasa el tren. Para él, la luz desciende pero a la vez avanza puesto que el tren lo hace; se refleja en el suelo y vuelve a avanzar mientras está subiendo. No sabemos exactamente cuantos metros ha recorrido la luz para esta persona, pero claramente más de los dos metros que nosotros vimos dentro del tren. ¡Esto significa que el tiempo ha pasado más lento para la persona dentro del tren que para la persona que se encuentra en la estación!

Tenemos que aclarar que no se refiere al "tiempo psicológico" que hace que estar con unos amigos se pase rápidamente pero estar en una clase se haga eterno. Se refiere al tiempo físico que miden los relojes; que está representado por la ecuación:

Tiempo = espacio/velocidad

Si reemplazamos los valores para cada experiencia, tendríamos que la ecuación para la persona dentro del tren sería T=2/100 (imaginando que el tren viaja a una velocidad - poco prudente si está pasando al lado de una estación - de 100 km/h), y para la persona fuera del tren sería T=L/100, siendo 'L' un valor mayor a dos.

A partir de esto nos proponen cosas fascinantes como la siguiente. Por ejemplo, imaginemos que un astronauta viaja en una nave espacial a una velocidad muy elevada (mientras mayor la velocidad, mayor el efecto que hemos explicado). Al regresar a la Tierra, para él habrá pasado mucho menos tiempo que el que habrá pasado para el resto de los terrícolas; así que, probablemente, verá a sus compañeros de trabajo demacrados por la edad, mientras él conserva su juvenil aspecto.

Imagen: http://ridemydawes.files.wordpress.com/

Entonces, ¿podemos viajar al futuro? Según esta teoría, sí. Si viajamos a muy altas velocidades, al volver ya estaríamos en el futuro porque para nosotros el tiempo que ha pasado es muy corto. Pero, no se podría viajar al pasado ya que se rompería el principio de causalidad - si viajamos al pasado y matamos a nuestro abuelo cuando era pequeño, nunca habría nacido nuestro papá y por ende, tampoco nosotros; entonces, ¿quién mató a nuestro abuelo? - lo cual para la Física actual es imposible; aunque hay alternativas propuestas.

De toda esta teoría también se desprende la famosa ecuación E= mc2; ya que expresa la estrecha relación entre masa y energía. A medida que un cuerpo en movimiento va adquiriendo energía, aumenta su masa proporcionalmente; es decir, cuanta más velocidad adquiera un cuerpo, más energía costará acelerarlo.

Entonces, no podemos viajar a la velocidad de la luz. ¿Por qué? Pues si llegamos a la velocidad de la luz (cerca de 300 000 000 metros por segundo; velocidad que le permite llegar del Sol a la Tierra en solo 8 minutos con 19 segundos), la masa del cuerpo se tornaría infinita, habiendo necesitado proporcionalmente una cantidad infinita de energía; lo cual es imposible.

Casi 100 años después de su obra maestra, Einstein sigue inspirando a nuevas generaciones de científicos, filósofos y artistas que se esfuerzan por responder a las grandes preguntas acerca de nuestro lugar en el cosmos. La idea detrás de todas estas celebraciones, y este pequeño homenaje en Sophimanía, es inspirar a las generaciones más jóvenes a que se atrevan a soñar con la exploración y a participar de la búsqueda más emocionante de todas: desentrañar los misterios del Universo y con ellos, los nuestros propios.

Información de Princeton Patch, Inside Science, PadGadget y FisicayCiencia. Versión, edición y traducción de Sophimanía.

Artículos originales y completos (en inglés) aquí, aquí, aquí y (en español) aquí.