¿Qué es la Relatividad General? Definición y principios

La historia de la Física y de la ciencia en general está llena de sucesos que, de una forma u otra, cambiaron el transcurso de la misma. Momentos en los que nuestra concepción del Universo cambió para siempre. Y uno de estos acontecimientos más importantes fue, sin duda, la postulación de la Teoría de la Relatividad General.

Entre 1915 y 1916, el célebre físico alemán Albert Einstein publicó una teoría a través de la que se podía comprender la naturaleza de muchos procesos de la naturaleza y del Cosmos en general. Una teoría que permitía comprender desde el movimiento de los planetas hasta la razón de existir de la gravedad.

Con ella, Einstein rompía con las leyes de la física tradicionales (incluidas las leyes del movimiento de Newton) y daba al mundo una nueva visión de las reglas que sigue el Universo. Y, desde entonces, la Relatividad General sigue siendo el pilar del mundo de la Física. Todo (excepto cuando llegamos al mundo cuántico) funciona de acuerdo a ella.

Pero, ¿qué es exactamente la Teoría de la Relatividad General? Si siempre has querido entender los fundamentos de esta complicada teoría, has llegado al lugar adecuado. En el artículo de hoy diseccionaremos esta teoría, viendo en qué se basa la relatividad general y cuáles son sus principios. Vamos allá.

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¿Qué es exactamente la Teoría de la Relatividad General?

La Teoría de la Relatividad General es una teoría del campo gravitatorio publicada por Albert Einstein entre 1915 y 1916. Es decir, es una teoría (que puede desmentirse en un futuro) que describe, entre muchas otras cosas, la naturaleza elemental de la gravedad.

Antes de que se publicara esta teoría, creíamos que la gravedad, de acuerdo a la teoría de Newton, surgía como consecuencia de fuerzas que se transmitían a distancia. Pues bien, Einstein rompe totalmente con esto y dice que la atracción gravitatoria no se debe a fuerzas a distancia, sino a una curvatura del espacio-tiempo. Pero vayamos paso a paso.

Evidentemente, estamos ante una teoría muy compleja que nace de una de las mentes más célebres de la historia de la ciencia, por lo que no podemos abarcar toda su magnitud. Pero sí que daremos las claves para entenderla. Si quieres o necesitas profundizar más, te damos acceso a artículos de física pura donde se describe la teoría con más detalles.

La piedra angular de la Relatividad General es la luz. Einstein afirmó que un rayo de luz no puede estar parado. Y si esto nos parece obvio ahora es porque esta teoría ha calado muy hondo en nuestra conciencia, pero antes de Einstein, esto no era ninguna obviedad. El pilar de su teoría es que la luz siempre viaja a la velocidad de la luz: 300.000 kilómetros por segundo.

Y es precisamente esta velocidad de la luz lo único constante en el Universo. La luz siempre se mueve (en el vacío) a 300.000 km/s. Esto es innegociable. Todo lo demás es relativo y depende de cómo lo observemos y desde qué perspectiva lo hagamos.

Y aquí entra en juego otra de las claves. Si lo único constante en el Universo es la velocidad de la luz, consecuentemente, el espacio y el tiempo son relativos. Y es precisamente esta la gran (o una de las) revolución de la teoría de la relatividad. Por cierto, ahora ya vamos entendiendo de dónde viene lo de “relatividad”. Todo es relativo menos la velocidad de la luz.

Con esta teoría, Einstein estaba afirmando algo increíble: el tiempo no es absoluto. Siempre habíamos pensado en el tiempo como algo universal. Pero no. Es algo individual que fluye de una manera única para cada uno de nosotros. Realmente, fluye de manera única para cada una de nuestras partículas. Pero quedémonos con que es individual.

El tiempo es algo relativo que fluye de una manera u otra dependiendo de la velocidad a la que te muevas y a la intensidad del campo gravitatorio al que estás sometido. Este fenómeno, conocido como dilatación temporal, explica que, a más velocidad de movimiento, más lento pasa el tiempo; y que a más atracción gravitatoria que incide sobre nosotros, más lento pasa. Einstein abría así la puerta a los viajes en el tiempo. Hacia el futuro, eso sí. Hacia el pasado es imposible.

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Pero, ¿en qué afecta esta concepción del tiempo como algo relativo a la visión del Universo? En muchísimas cosas. Y una de las más importantes es que no solo es que el espacio y el tiempo sean relativos, sino que forman un único conjunto: el espacio-tiempo.

Antes de la formulación de esta teoría, creíamos que vivíamos en un Universo de únicamente tres dimensiones espaciales (profundidad, altura y anchura) en el que el tiempo fluía de forma universal para todos y cada uno de los componentes del Cosmos. Pero, si el tiempo es relativo y nos podemos mover por él de formas diferentes, significa que el tiempo debe ser una dimensión más.

Y aquí llega la gran revolución. No vivimos en un Universo de tres dimensiones. Vivimos en un Universo de cuatro dimensiones: tres espaciales y una temporal. Y estas cuatro dimensiones forman un único tejido: el espacio-tiempo. Espacio y tiempo son relativos, pero forman un único tejido universal.

Y este tejido espacio-tiempo es deformado por los cuerpos con masa. Y es precisamente esta deformación lo que explica la existencia elemental de la gravedad. La curvatura del espacio-tiempo es lo que hace que los cuerpos con masa atraigan gravitatoriamente a otros. Esto explica también que, como consecuencia de la presencia de un campo gravitatorio, el espacio-tiempo se contraiga. Ya hemos dicho que el tiempo pasa más lento cuanto mayor es la gravedad. Y aquí se entiende el porqué.

Paralelamente, la Teoría de la Relatividad plantea también que la masa es energía. Con su célebre fórmula de E=MC² (realmente es una simplificación de una un poco más compleja donde se omiten ciertas variables), está describiendo, de una forma muy elegante y sencilla, la naturaleza de la energía en el Universo. La energía es el resultado del producto entre la masa de un cuerpo y la velocidad de la luz al cuadrado. Punto.

Y de esta fórmula (que revolucionó por completo el mundo de la Física) podemos extraer también una de las conclusiones más importantes de la teoría. No hay nada que pueda viajar más deprisa que la luz. Si la masa de un cuerpo aumenta conforme se incrementa su velocidad, necesitarías una fuerza infinita para alcanzar la velocidad de la luz. Y como es imposible llegar a una fuerza infinita, nunca se puede alcanzar del todo (y mucho menos superar) la velocidad de la luz.

En resumen, la Teoría de la Relatividad General es una teoría que afirma que lo único constante en el Universo es la velocidad de la luz. Todo lo demás es relativo y depende de cómo lo observemos. En este sentido, el espacio y el tiempo no son absolutos, sino que forman un único tejido de 4 dimensiones: el espacio-tiempo. Y es la curvatura de este espacio-tiempo lo que explica la naturaleza de los campos gravitatorios. La Relatividad General marca un punto de inflexión en la historia de la ciencia.

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Las 8 claves de la Relatividad General

Seguro que después de describir la teoría ha quedado mucho más clara. Aun así, recogemos, en forma de claves, los conceptos más importantes de dicha teoría. Veamos los principios más importantes en los que se fundamenta la Teoría de la Relatividad General.

1. La luz siempre va a la velocidad de la luz

La luz es lo único constante en el Universo. No depende de nada. Si mire desde la perspectiva que se mire, la luz siempre viajará a la velocidad de la luz, que son 300.000 km/s. A partir de aquí, todo lo demás, es relativo.

2. El tiempo es individual, no universal

Antes de la formulación de esta teoría, creíamos que el tiempo era algo universal que fluía de igual manera en cualquier rincón del Universo. La Relatividad General nos dice que no es algo absoluto, sino que es individual. Cada uno de nosotros (en realidad, cada una de nuestras partículas) tiene un “reloj” que fluye a una velocidad única en función de nuestra posición relativa, velocidad y campo gravitatorio al que estamos sometidos.

3. El tiempo puede dilatarse y contraerse

Al ser individual y no absoluto, el tiempo pasa a ser una dimensión más. A las tres dimensiones espaciales debemos añadir una temporal. Y al ser una dimensión, el tiempo pasa a ser algo modificable. Cuanto más rápido nos movamos o más gravedad experimentemos, más lento pasará. Y cuanto más despacio nos movamos o menos gravedad experimentemos, más rápido pasará.

Esto ha sido experimentalmente comprobado infinidad de veces. De hecho, los relojes de los satélites deben ajustarse cada día ya que, debido a que sufren menos atracción gravitatoria (17 veces menos intensa) que los que estamos en la superficie terrestre, sufren estos efectos de dilatación temporal. Para corregirlo, sus relojes tienen que adelantarse 38 microsegundos cada día.

4. Vivimos en un Universo de cuatro dimensiones: el espacio-tiempo

La Relatividad General rompe con la concepción de que vivimos en un Universo con simplemente tres dimensiones espaciales y afirma que, en realidad, vivimos en uno con cuatro dimensiones: tres espaciales (altura, profundidad y anchura) y una temporal (el tiempo). Y no solo vivimos en estas cuatro dimensiones, sino que el espacio y el tiempo forman un único pack: el espacio-tiempo. El espacio y el tiempo no son conceptos inconexos. Forman un único tejido.

5. La gravedad nace de la curvatura del espacio-tiempo

La Teoría de la Relatividad general rompe con las leyes de la gravedad de Newton y afirma que la gravedad es el resultado de la curvatura del espacio-tiempo. Los cuerpos con masa son capaces de deformar este tejido tetradimensional, lo que explica los fenómenos de atracción gravitatoria.

6. Nada puede ir más rápido que la luz

La luz no solo es lo único constante en el Universo, sino también lo más veloz. De las ecuaciones de la relatividad general se desprende que es imposible que un cuerpo material se desplace a más velocidad que la luz ya que para hacerlo necesitaría una energía infinita. Puede acercarse mucho (en los aceleradores de partículas las llevamos al 99,9999991% de la velocidad de la luz), pero nunca superarla. Teóricamente, si se superara (que no se puede), viajaríamos hacia atrás en el tiempo.

7. E=MC²

La fórmula más famosa de la historia nace con la Teoría de la Relatividad General. La energía de un cuerpo en reposo es igual a su masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Simple, elegante y útil. La masa es energía. Como hemos dicho, la fórmula real es más compleja pero esta sirve a nivel general.

8. No funciona cuando bajamos del nivel atómico

La Teoría de la Relatividad de Einstein funciona perfectamente para explicar la naturaleza del mundo macroscópico. Es decir, todos los niveles de organización de la materia hasta el atómico siguen el comportamiento predicho por la teoría de la relatividad. Pero cuando superamos la frontera del átomo y pasamos al mundo de las partículas subatómicas, nos desplazamos a un nuevo mundo que no sigue las leyes físicas de la relatividad. El mundo cuántico.

De hecho, la mayor ambición de la Física es desarrollar una teoría que unifique la relatividad general con la mecánica cuántica. En cuanto lo hagamos, habremos unido dos mundos que, por ahora, están inconexos. Pero deben estar unidos de alguna manera. Por eso vamos en búsqueda de una Teoría del Todo.