Cómo Einstein cometió el mayor error de su vida

Imagínese cómo debe haber sido estudiar el Universo, en un nivel fundamental, allá por principios del siglo XX. Durante más de 200 años, la física de Newton parecía gobernar cómo se movían los objetos, con la ley de gravitación universal de Newton y las leyes del movimiento dictando cómo se movían las cosas en la Tierra, en nuestro Sistema Solar y en el Universo mayor. Recientemente, sin embargo, han surgido algunos desafíos a la imagen de Newton. No podías seguir acelerando objetos a velocidades arbitrarias, sino que todo estaba limitado por la velocidad de la luz. La óptica de Newton no describía la luz tan bien como lo hacía el electromagnetismo de Maxwell, y la física cuántica, todavía en su infancia, planteaba nuevos conjuntos de preguntas a los físicos de todo el mundo.

Pero quizás el mayor problema lo planteó la órbita de Mercurio, medida con precisión desde finales del siglo XVI y desafiando las predicciones de Newton. Fue su búsqueda para explicar esa observación lo que llevó a Albert Einstein a formular la Teoría General de la Relatividad, que reemplazó la ley de gravitación de Newton con una relación entre materia y energía, que curva el espacio-tiempo, y ese espacio-tiempo curvo, que dice materia-y -energía cómo moverse.

Sin embargo, Einstein no publicó esa versión de la Relatividad General; publicó una versión que incluía un término extra ad hoc: una constante cosmológica, añadiendo artificialmente un campo extra al Universo. Décadas más tarde, se referiría a él como su mayor error, pero no sin antes duplicarlo muchas veces a lo largo de los años. Así es como el hombre más inteligente de la historia cometió su mayor error, con lecciones para todos nosotros.

La relatividad general, lo que es más importante, se construyó a partir de tres piezas de rompecabezas que se unieron en la mente de Einstein.

Estas tres nociones juntas llevaron a Einstein a concebir la gravedad de manera diferente: que en lugar de estar gobernada por una fuerza invisible infinitamente rápida que actuaba a través de todas las distancias y en todo momento, la gravitación era causada por la curvatura del espacio-tiempo, que mismo fue inducido por la presencia de materia y energía dentro de él.

Esos tres primeros pasos ocurrieron en 1905, 1907 y 1908, respectivamente, pero la Relatividad General no se publicó en su forma final hasta 1915; ese es el tiempo que le tomó a Einstein y sus colaboradores resolver los detalles correctamente. Sin embargo, una vez que lo hizo, lanzó un conjunto de ecuaciones, conocidas hoy como las ecuaciones de campo de Einstein, que relacionaban cómo la materia-energía y el espacio-tiempo se afectaban entre sí. En ese escrito, verificó que:

Ese tercer punto condujo a una nueva predicción clave: que durante un eclipse solar total, cuando la luz del Sol fuera bloqueada por la Luna y las estrellas serían visibles, la posición aparente de las estrellas ubicadas detrás del Sol se doblaría o cambiaría. por la gravedad del Sol. Después de "perder" la oportunidad de probar esto en 1916 debido a la Gran Guerra y de perder con las nubes en 1918, la expedición del eclipse de 1919 finalmente hizo las observaciones críticas, lo que confirmó las predicciones de la Relatividad General de Einstein y condujo a su aceptación generalizada como un Nueva teoría de la gravedad.

Pero, como cualquier buen científico que formula una nueva teoría, el propio Einstein no estaba seguro de cómo resultarían los experimentos y las observaciones. En una carta al físico Willem de Sitter en 1917, Einstein escribió lo siguiente:

"Para mí... era una pregunta candente si el concepto de la relatividad se puede seguir hasta el final o si conduce a contradicciones".

En otras palabras, claro, después de descifrar las matemáticas de la Relatividad General y cómo aplicarlas con éxito a una variedad de situaciones, ahora llega el gran desafío: aplicarlas a todos los casos físicos donde debería dar una descripción correcta. Sin embargo, un gran desafío para eso fue cuando se trataba del Universo conocido de la época de Einstein.

Verá, en ese entonces, aún no se sabía si había otras galaxias por ahí, lo que los astrónomos de la época denominaron la hipótesis del "universo isla", o si todo lo que observamos estaba contenido dentro de la propia Vía Láctea. Incluso hubo un gran debate sobre este mismo tema unos años más tarde, en 1920, y aunque ambas partes discutieron apasionadamente, no fue concluyente. Era razonable, y aceptado por muchos, que la Vía Láctea y los objetos dentro de ella eran simplemente todo lo que había.

Esta noción planteó un gran problema para Einstein. Verá, uno de los teoremas que fue relativamente fácil de derivar en relatividad es el siguiente:

Si toma cualquier distribución inicial de masas y la comienza en reposo, lo que inevitablemente encontrará, después de que haya pasado una cantidad finita de tiempo, es que estas masas finalmente colapsarán en un solo punto, lo que conocemos hoy como un agujero negro

Esto sería malo, porque un agujero negro es una singularidad, donde el espacio y el tiempo llegan a su fin y no se puede llegar a predicciones físicas sensatas. Esto trajo a colación precisamente el tipo de contradicción que preocupaba a Einstein. Si nuestra Vía Láctea fuera simplemente una gran colección de masas que se movieran muy lentamente entre sí, esas masas inevitablemente deberían causar el colapso del espacio-tiempo en el que estaban presentes. Y, sin embargo, nuestra Vía Láctea no parecía estar colapsando y claramente no se había colapsado sobre sí misma. Para evitar este tipo de contradicción, Einstein planteó que se debe agregar algo extra, algún ingrediente o efecto nuevo, a la ecuación. De lo contrario, la consecuencia inaceptable de un Universo inestable que debería estar colapsando (sin embargo, por observación, no parecía estarlo) no podría evadirse.

En otras palabras, si el Universo es estático, no puede simplemente colapsar; eso sería realmente malo y entraría en conflicto con lo que estábamos viendo. Entonces, ¿cómo lo evitó Einstein? Introdujo un nuevo término a las ecuaciones: lo que hoy se conoce como constante cosmológica. En sus propias palabras, nuevamente escribiendo en 1917, Einstein afirmó lo siguiente:

"Para llegar a este punto de vista consistente, admitimos que tuvimos que introducir una extensión de las ecuaciones de campo de la gravitación que no está justificada por nuestro conocimiento real de la gravitación... Ese término es necesario solo con el propósito de hacer posible una distribución cuasiestática de la materia, como lo requiere el hecho de las pequeñas velocidades de las estrellas".

Es bastante duro llamar a esto un error, ya que su línea de pensamiento es fácil de seguir y parece razonable. Lo sabemos:

La única opción que había encontrado Einstein era este término extra que podía añadir sin introducir más patologías en su teoría: un término constante cosmológico.

Otras personas (debo aclarar aquí que estas son otras personas muy inteligentes y muy competentes) tomaron estas ecuaciones y conceptos presentados por Einstein y procedieron a derivar las consecuencias inevitables de ellos.

Primero, Willem de Sitter, más tarde en 1917, demostró que si tomas un universo modelo con solo una constante cosmológica (es decir, sin otras fuentes de materia o energía), obtienes un espacio-tiempo vacío de cuatro dimensiones que se expande. eternamente a un ritmo constante.

En segundo lugar, en 1922, Alexander Friedmann demostró que si asumes, dentro de la relatividad de Einstein, que todo el Universo está uniformemente lleno de algún tipo de energía, que incluye (pero no se limita a) materia, radiación o el tipo de energía que producir una constante cosmológica: entonces una solución estática es imposible y el Universo debe expandirse o contraerse. (Y que esto es cierto independientemente de si la constante cosmológica existe o no).

Y tercero, en 1927, Georges Lemaître se basó en las ecuaciones de Friedmann, aplicándolas a la combinación de distancias galácticas medidas por Hubble (a partir de 1923) y también al movimiento de recesión aparentemente grande de esas galaxias, medido anteriormente por Vesto Slipher (ya en 1923). 1911). Llegó a la conclusión de que el Universo se está expandiendo, y no solo envió un artículo al respecto, sino que también le escribió personalmente a Einstein al respecto.

La razón por la que la constante cosmológica a menudo se llama "el mayor error de Einstein" no se debe a por qué la formuló originalmente; es por su reacción inmerecida, irrazonable y tal vez incluso desquiciada a las críticas válidas y conclusiones contrarias de todos los demás. Einstein criticó extensa e incorrectamente las derivaciones de De Sitter, y De Sitter y Oskar Klein demostraron que estaban equivocados en todos los aspectos en una serie de cartas a lo largo de 1917 y 1918. Einstein criticó incorrectamente el trabajo de Friedmann en 1922, calificándolo de incompatible con las ecuaciones de campo; Friedmann señaló correctamente el error de Einstein, que éste ignoró hasta que su amigo, Yuri Krutkov, se lo explicó, momento en el que se retractó de sus objeciones.

Y aun así, en 1927, cuando Einstein se dio cuenta del trabajo de Lemaître, replicó: "Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable", que se traduce como "Tus cálculos son correctos, pero tu física es abominable". Mantuvo esta postura en 1928, cuando Howard Robertson llegó de forma independiente a las mismas conclusiones que Lemaître con datos mejorados, y no cambió de opinión con la abrumadora demostración de Hubble (y, más tarde, de Humason) de que los objetos más distantes (con distancias determinadas usando el legendario Henrietta Leavitt) método) se estaban alejando más rápidamente en 1929. Hubble escribió que el hallazgo podría "representar el efecto de Sitter" y "por lo tanto, introduce el elemento del tiempo" en el Universo.

A lo largo de todo esto, Einstein no cambió su postura en absoluto. Sostuvo que el Universo debe ser estático y la constante cosmológica es obligatoria. Y, debido a que él era Einstein, muchas personas, incluido Hubble, tuvieron la tentación de interpretar estos datos como implicando la expansión del Universo. No sería hasta 1931, cuando Lemaître escribió una carta muy influyente a la Naturaleza, donde juntó las piezas por completo: que el Universo podría estar evolucionando en el tiempo si partiera de un estado más pequeño y denso y se ha expandido desde entonces. Fue solo después de eso, que Einstein finalmente admitió que, solo quizás, se había adelantado al introducir una constante cosmológica con el único motivo de mantener el Universo estático.

En retrospectiva, la constante cosmológica es ahora una parte muy importante de la cosmología moderna, ya que es la mejor explicación que tenemos para los efectos de la energía oscura en nuestro Universo en expansión. Pero si Einstein no lo introdujo y siguió defendiéndolo y manteniéndolo como lo había hecho, si simplemente hubiera seguido las ecuaciones, podría haber derivado el Universo en expansión como consecuencia de sus ecuaciones, tal como lo hizo Friedmann y, más tarde. , Lemaître, Robertson y otros.

Fue un pequeño error introducir un término superfluo e innecesario en sus ecuaciones, pero su mayor error fue defender su error frente a una evidencia abrumadora. Como todos deberíamos aprender, decir "Me equivoqué" cuando se demuestra que estamos equivocados es la única forma de crecer.

El autor reconoce la charla plenaria de Dan Scolnic en la 242ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense por descubrir muchos de estos hechos y citas.