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• Fernando Izaurieta, doctor en Ciencias Físicas de la Universidad de Concepción, conversa sobre la Teoría de la Relatividad, que fuera publicada por Albert Einstein en 1915 y que constituye el fundamento de la física moderna.

Fernando Izaurieta, doctor en Ciencias Físicas de la Universidad de Concepción.

Cuando niño, la serie documental “Cosmos” de Carl Sagan, dejó en su mente “una impresión indeleble de la majestuosidad del Universo y el hecho de que es explorable y comprensible”.

Los por qué de Fernando Izaurieta Aranda, comenzaban a tener respuesta. De adolescente, desarrolló intereses artísticos y humanistas, sin embargo, sintió la convicción de que “la Física era el lugar hacia donde necesitaba ir”.

Doctor en Ciencias Físicas, Académico del grupo de Física Teórica de la Universidad de Concepción, cree que la ciencia funciona como una carrera de relevos. “Nos vamos entregando los conocimientos de generación en generación; ahora tengo excelentes estudiantes y mi meta es que ellos descubran mucho más que la pizca de conocimiento sobre el Universo que yo pueda poseer. Somos parte de una empresa colectiva, en el tiempo y en el espacio, cuyo objetivo es descifrar los secretos del Universo”, enfatiza.

Este investigador en Física Teórica es también coordinador de las actividades de celebración de los 100 años de la Relatividad General en Chile. De la teoría de Einstein, incluida entre las de elevado grado de dificultad, de su significado y alcances, conversamos en esta entrevista.

¿Cuál es el valor histórico de la Teoría de Relatividad?
Este descubrimiento fue un hito histórico comparable al descubrimiento de la escritura, la rueda o el fuego. En forma bella y elegante, Einstein consiguió algo tan atrevido que parece casi inalcanzable: describir en forma precisa la naturaleza misma del espacio y el tiempo. Este conjunto de ideas ha revolucionado profundamente nuestra comprensión del Universo, su origen, su evolución y quizás incluso su destino final. Ahora es uno de los pilares fundamentales del edificio de la Física.

¿Cuáles son sus principios fundamentales?
Sus principios filosóficos son elegantes y profundos, y ameritan una discusión detallada, por lo que fácilmente la entrevista podría transformarse en libro sólo tratando de responder esta pregunta. Por eso sólo bosquejaré algunos de los conceptos principales. Al formular la Teoría Especial de la Relatividad en 1905, Einstein descubrió que conceptos en apariencia sólidos, como el tamaño o la simultaneidad, son en realidad relativos al observador. En cambio, la velocidad de la luz emergió como universal y absoluta, y un límite insuperable para la transferencia de información.

Un par de años después, el matemático Hermann Minkowski descubrió el significado más profundo de estas ideas: espacio y tiempo son parte de una sola entidad, un espaciotiempo cuadridimensional no-euclídeo. En sus propias palabras, “De ahora en adelante el espacio por sí mismo, y el tiempo por sí mismo, están destinados a desvanecerse en meras sombras, y sólo una especie de unión de ambos preservará una realidad independiente.”

Al principio, el Einstein joven e impulsivo rechazó las ideas de Minkowski como una complicación matemática innecesaria. En esa época afirmó: “Desde que los matemáticos han invadido la teoría de la relatividad, yo mismo ya no la entiendo.” Sin embargo, pronto se vio obligado a cambiar de opinión al tratar de compatibilizar la Gravitación con la Relatividad. Tras una década de trabajo, Einstein encontró la solución al problema: el espaciotiempo es real, pero no plano y estático como lo imaginó Minkowski. El espaciotiempo es dinámico, capaz de curvarse e incluso vibrar. Lo que percibimos como fuerza gravitacional corresponde en realidad a la curvatura de la geometría espaciotemporal, la cual es causada por su contenido de materia y energía. Tal como lo explicaría uno de los colaboradores de Einstein, John A. Wheeler, la idea básica es que “El Espacio le dice a la Materia como moverse; a su vez, la Materia le indica al Espacio como curvarse”.

El trabajo de Einstein se vuelve increíble si consideramos que disponía de poquísimos datos experimentales para dirigir sus hipótesis. Sus guías fueron sólo la elegancia matemática, algunos principios filosóficos, una increíble intuición y terquedad rayana en la obsesión. Él mismo decía: “Pienso y pienso. Durante meses. Durante años. Noventa y nueve veces, me equivoco. Pero la centésima vez, estoy en lo correcto”. Sus ideas eran tan revolucionarias que debió recurrir a sus amigos matemáticos Marcel Grossmann y Tullio Levi-Civita para aprender las sutilezas de la geometría riemanniana, el lenguaje matemático que necesitaba para describir las nuevas leyes de la Física que estaba descubriendo.

Finalmente, el 25 de noviembre de 1915 presentó ante la Academia Prusiana de Ciencias sus famosas ecuaciones de campo, las cuales describen en forma precisa cómo la materia y energía (el lado derecho de la ecuación, Tμν) curvan el espacio tiempo (cuya geometría es codificada en el lado izquierdo de la ecuación).

¿Qué tiene que ver la Relatividad con nosotros, los seres comunes y corrientes?
Los científicos somos humanos comunes y corrientes! Quizás lo único “especial” en un científico es que el sistema educativo no consiguió aplastar ese niño curioso que todos fuimos alguna vez, preguntando insistentemente ¿y por qué…?

Por supuesto, es natural que alguien que no trabaje en Ciencia se pregunte si cosas tan “extrañas” como la Relatividad tienen algún impacto en su vida cotidiana. La respuesta es un rotundo sí.

Desde un punto de vista práctico, como decía poéticamente el matemático y físico francés Henri Poincaré ahora podemos dar órdenes a la naturaleza “en el nombre de leyes a las que no puede oponerse, porque son las suyas propias”. Mejorar nuestra comprensión de la naturaleza conlleva la posibilidad de usar ese conocimiento para crear tecnología, es decir, trozos de Universo que nos obedecen. Eso sucede -¡y espectacularmente!- con la Relatividad.

¿A qué se refiere específicamente…?
Combinando la Relatividad Especial con la Mecánica Cuántica llegamos a comprender la física de los núcleos atómicos. Tal como Einstein intuyó ya en 1905, la famosa equivalencia relativista entre masa y energía, E = mc2, nos ha dado la posibilidad de acceder a enormes cantidades de energía útil en este contexto. La física nuclear también nos ha dado efectivos tratamientos contra el cáncer. Pero no todo es miel; también hemos usado este conocimiento para crear las armas más destructivas de la historia. Metafóricamente, quizás somos un poco como dice Nicanor Parra: “¡un embutido de ángel y bestia!”.

Es probable que en los bolsillos llevemos tecnología basada en esta teoría. Me refiero al receptor GPS. Para funcionar correctamente, los relojes de los satélites del sistema de posicionamiento global deben sincronizarse con una precisión de nanosegundos (un nanosegundo es la mil millonésima parte de un segundo). Pero de acuerdo con la Relatividad General, la curvatura espaciotemporal generada por la Tierra hace que para una persona sobre la superficie del planeta el tiempo transcurra un poco más lento que para los satélites, en órbita a unos 20 mil kilómetros de distancia. La diferencia acumulada predicha por la Relatividad General es de 38 microsegundos por día. Y ésta es exactamente la corrección temporal que debe introducirse para que podamos ubicarnos sobre la superficie terrestre con una precisión de metros, y no ser enviado a kilómetros de distancia.

Hace tan sólo 100 años no sabíamos nada sobre el origen y evolución del Universo, aparte de algún relato mitológico. Gracias a la Relatividad General, conocemos con precisión el tamaño, edad, forma e historia del Universo. Me refiero a la Cosmología, la modelación científica del Universo como un todo usando la Relatividad General. Términos como “Big Bang” han llegado a ser parte del lenguaje cotidiano. En cierta forma, gracias a la Física el Universo se transformó en nuestra casa, un lugar que podemos comprender.

Otros conceptos propios de la Relatividad General que han ingresado en el imaginario colectivo son los Agujeros Negros y los Agujeros de Gusano. Esto se ha reflejado fuertemente en la cinematografía, en donde la reciente película Interstellar merece una mención especial. Uno de sus productores ejecutivos fue Kip Thorne, un destacado físico que trabaja precisamente en Relatividad General. Gracias a su influencia, los conceptos físicos que se presentan son plausibles y las visualizaciones están muy bien logradas, basadas directamente en las ecuaciones de Einstein. Si usted quiere saber “¿cómo se vería un agujero negro en la realidad?” mi respuesta sería muy simple: ¡vea la película!

¿Por qué es una teoría tan famosa, y no sólo una más entre tantas que existen?
En Física una teoría no es famosa porque esté de moda o la haya creado alguien carismático. Lo que hace buena a una teoría es su capacidad de predecir lo que va a suceder en un experimento dado con el menor número de supuestos posible. Mientras más precisas y amplias sean las predicciones, mejor es la teoría. Y la Teoría de la Relatividad ha tenido un éxito espectacular. Sus predicciones abarcan desde cosas muy pequeñas, como el comportamiento de las partículas subatómicas cuando se mueven a velocidades cercanas a la luz, pasando por cosas más cotidianas como la corrección temporal en un GPS o las órbitas de los planetas, hasta llegar a describir con precisión el comportamiento de galaxias gigantescas y el Universo completo.

Entre las predicciones espectaculares de la Relatividad General ameritan mención especial las lentes gravitacionales y los agujeros negros. Una lente gravitacional es la distorsión en la imagen de un objeto (un cúmulo de estrellas, una galaxia, etc.) debido a la curvatura del espaciotiempo. Es un espejismo gravitacional causado no por el aire caliente sobre una carretera, sino que por la curvatura del espaciotiempo en torno a gigantescos cúmulos de galaxias. Las ecuaciones de Einstein predicen con precisión cómo los rayos de luz se desvían de una trayectoria rectilínea en un espaciotiempo curvo. Y cuando miramos el espacio a través de nuestros telescopios, lo que vemos son estos gigantescos espejismos relativistas deformando la imagen de galaxias lejanas, exactamente como predice la Relatividad General.

En cuanto a los agujeros negros, es una predicción de las ecuaciones de Einstein que él mismo no creyó posible. Pensó que la naturaleza debía tener algún mecanismo que impidiese la formación de algo tan “aberrante”. Estaba equivocado. Ahora sabemos que colosales agujeros negros supermasivos habitan los centros de casi todas las galaxias. Nuestra galaxia no es la excepción. Nosotros, junto con el resto de la Vía Láctea, giramos a casi 800 000 km/h en torno a un agujero negro en el centro de la galaxia.

¿Cómo sabemos que hay un agujero negro allí?
El centro de la galaxia está a 27 000 años luz, y grandes nubes de polvo obstaculizan la vista. Por eso, se usan telescopios infrarrojos y de radio, los cuales pueden ver a través del polvo, y técnicas interferómetricas para “agudizar” nuestra vista. El resultado es asombroso. Podemos ver estrellas orbitando rápidamente “algo” negro, de cuatro millones de masas solares y un tamaño de cuatro veces nuestro sistema solar. Por estas y muchas otras razones, la Relatividad General es la teoría que mejor describe la gravedad y el espaciotiempo. Lo que vemos coincide con sus predicciones en forma espectacular. Sin embargo, eso no significa que sea una verdad absoluta. En ciencia nada lo es. Ahora mismo estamos trabajando en nuevas ideas, y esperamos en el futuro ser capaces de explicar fenómenos cada vez más profundos en el universo.

¿Cuán vigente es la Relatividad hoy? ¿Qué teorías la completan o la corrigen?La Relatividad General nos confronta con un enigma fantástico. Por una parte, funciona muy bien y está completamente “vigente”. Sus predicciones coinciden espectacularmente con lo que observamos, y en ese sentido es la mejor descripción del espaciotiempo que tenemos ahora.

Destaco el ahora porque pese a todo, estamos seguros de que Relatividad General no puede ser la última respuesta. Sucede que en la misma época en la que se descubrió la Relatividad General, se estaba gestando paralelamente otra revolución. Un grupo de científicos estaba desarrollando la extraña física del mundo microscópico, la Teoría Cuántica, en la cual los significados clásicos de verbos como ser o estar deben ser redefinidos utilizando conceptos probabilistas mucho más sutiles. La teoría cuántica y la relatividad especial actuando en conjunto son capaces de describir en forma unificada y precisa todas las partículas y sus interacciones en el llamado el Modelo Estándar de Partículas Elementales.

¿Cuándo entendió realmente la Relatividad?, ¿era ya científico?
¡Qué pregunta más difícil! Tal como comentaba, nadie nunca ha conseguido un entendimiento absoluto y completo. Hay grandes misterios sobre la Relatividad, los cuales aún ningún científico comprende. El mayor de ellos es el misterio de gravedad cuántica, es decir, descifrar la estructura microscópica del espaciotiempo.

Por otra parte, es legítimo preguntarse si es posible comprender la relatividad sin tomarse el trabajo de estudiar ciencias y matemáticas durante años. La respuesta depende de cuánto quieras conocer. Si sólo quieres saber de qué se trata y tener una idea general, sí es posible. Hay excelentes libros de divulgación científica de personas como Stephen Hawking, Roger Penrose y Steven Weinberg al respecto. Tengo la esperanza de que esta misma entrevista ayude a alguien a saber un poco más del tema. Sin embargo, si quieres comprender en profundidad la Relatividad General y temas relacionados como Agujeros Negros, Cosmología, Dimensiones Extra, Teoría de Cuerdas, etc. el único camino es estudiar ciencias y matemáticas durante mucho tiempo. Tal como decía Richard Feynman, la razón es muy sencilla: “Si quieres aprender sobre la naturaleza, apreciar la naturaleza, es necesario aprender el lenguaje en el que ella habla”.

Este fue mi caso también: antes de poder trabajar en Relatividad necesité de muchos años de aprendizaje de física y matemáticas, y de profesores pacientes corrigiendo mis muchos errores. Aprender el lenguaje matemático de la naturaleza es difícil, pero quizás no hay nada tan hermoso y estimulante como empezar a comprender el Universo.

¿Es probable que los avances que se lleven a cabo en esta materia jueguen un rol vital en las posibilidades de supervivencia de nuestra especie?
Hemos evolucionado sobre el planeta Tierra, y por ahora nuestro destino se encuentra ligado al de este mundo. Si mañana un asteroide de gran tamaño chocase contra la Tierra, surgiese una peste global grave o algo alterase seriamente el equilibrio ecológico de los océanos, el resultado sería catastrófico para nuestra civilización. Nuestro futuro depende de un equilibrio muy frágil sobre un mundo que hemos sobrepoblado.

Por eso, cuando pensamos en supervivencia a largo plazo, está claro que la única respuesta es la colonización del espacio y de otros mundos. Ahí tenemos un problema serio. Es factible visitar otros mundos de nuestro sistema solar. Pero colonizarlos en forma permanente se ve tremendamente difícil, incluso en el caso de Marte. Sus atmósferas y temperaturas son extremadamente hostiles para la vida humana.

Para encontrar nuevas Tierras, debemos buscar en otros soles. Ya hemos detectado miles de planetas en torno a otras estrellas. Y lo mejor de todo es que algunos de ellos parecen tener temperaturas apropiadas y ser capaces de albergar agua líquida. La mala noticia es que las distancias entre las estrellas son enormes abismos casi inimaginables de distancia. Y nuestras naves son demasiado lentas: cohetes, motores iónicos, veleros solares, etc. van a paso de caracol en comparación con las distancias galácticas. Incluso la luz es demasiado lenta: requiere 100.000 años para poder atravesar la galaxia de extremo a extremo.

La única alternativa para resolver el problema del viaje interestelar parece ser aprender a modificar la geometría del espaciotiempo. En efecto, las ecuaciones de la Relatividad General permiten la existencia de geometrías exóticas tales como los Agujeros de Gusano o Métricas Warp, las cuales en principio permiten viajar a otros sistemas estelares en tiempos inferiores a una vida humana. Sin embargo, no sabemos si estas soluciones son sólo un artilugio matemático o bien describen algo físicamente realizable. Para saberlo, la pieza faltante del rompecabezas es siempre la misma: Gravedad Cuántica. Al considerar el futuro a largo plazo de la humanidad, nuestra comprensión del espaciotiempo a escala microscópica probablemente haga la diferencia entre llegar a ser una especie interplanetaria, o una especie que tarde o temprano se extinga en el mundo donde evolucionó.

¿Cuál es el rol de la luz en todo esto?
La luz tiene un rol importantísimo, casi poético. Esta aventura relativista comenzó en 1895, en un bosque por el cual se filtraban los rayos de luz. En él, un adolescente de 16 años iba preguntándose cómo vería el mundo si fuese montado en un rayo de luz en vez de ir pedaleando en una bicicleta destartalada. Ese adolescente rebelde y creativo era Albert Einstein, y esas reflexiones son las que le llevarían años más tarde a la Teoría de la Relatividad.

Personalmente, lo veo de la siguiente manera: todo lo que conocemos, la materia y las fuerzas entre la materia, se ven descritas en términos de cuatro interacciones fundamentales, cuatro ecuaciones que dan origen a toda nuestra descripción del Universo. Una de ellas es la gravedad, descrita a través de la Relatividad General. Las otras tres son las interacciones electromagnéticas, nuclear débil y nuclear fuerte. Las cuatro interacciones tienen cierta semejanza en términos matemáticos abstractos, pero el electromagnetismo es muchísimo más sencillo que las demás. Además, es muy intensa a escala cotidiana. La luz es una onda electromagnética, y su simplicidad e intensidad la hacen relativamente fácil de estudiar. Históricamente, la luz y el electromagnetismo fueron la hebra clave que permitió desenredar el patrón de las leyes fundamentales de la Física. Es aquella pieza sencilla y única del rompecabezas que permite resolver el resto.

¿Qué deben hacer los científicos para acercar a las personas a estos conceptos, a la Ciencia y al lenguaje científico?
La gente suele tener la impresión de que hacer Ciencia es terriblemente complicado. ¡En efecto, no es nada fácil! Pero el Universo es majestuoso y bello, y eso hace a la Ciencia enormemente gratificante, excitante y apasionante. Pero lo mejor es que hemos descubierto el método para comprender el Universo, el cual es precisamente la Ciencia. El que el Universo sea a la vez bello y comprensible, es el mensaje principal que debe comunicar un científico.

El Cosmos está lleno de sutiles interrelaciones, sorpresas inesperadas y delicadas simetrías. En la escala de lo microscópico, se vuelve surrealista. Las partículas subatómicas que aparecen y desaparecen en el vacío desafían nuestra comprensión. En la gran escala, la Relatividad General orquesta estructuras tan colosales que uno siente que puede saborear el significado de infinito. Nos encontramos con espectáculos de destrucción ante cuya majestuosidad no se puede sentir más que reverencia. Hay objetos tan extraordinarios como núcleos atómicos del tamaño de mundos (las estrellas de neutrones) y lugares en donde la gravedad enloquece y el tiempo llega a su fin (los agujeros negros). Y llenando el cielo en todas direcciones nos encontramos con la imagen más antigua de todas: los primeros rayos de luz nacidos después del Big Bang, el fondo cósmico de microondas, cuando el Universo era sólo un recién nacido.

Pero el Universo no es sólo bello y majestuoso, sino que también comprensible. En términos de unas pocas reglas matemáticas relativamente sencillas, parece ser posible comprender el comportamiento de todo lo que nos rodea, y de nosotros mismos. Y es que somos un trozo de Universo, un subproducto de la evolución estelar. Por lo tanto también somos susceptibles de ser estudiados y comprendidos a través de la Ciencia, tal como todo lo demás.

En este aspecto, los científicos tenemos el deber moral de educar sobre el funcionamiento del Universo. Los métodos pueden ser variados: charlas, libros, programas de televisión, el internet, etc. En este aspecto, Chile ofrece un espectáculo lamentable. Los científicos, especialmente los más jóvenes, gustan de comunicar ciencia. ¡Les encanta! Dan charlas, van a escuelas, participan en Explora, crean páginas web, etc. Sin embargo, la sociedad como un todo da la espalda a la Ciencia. Por ejemplo, la televisión chilena se dedica a un verdadero culto a la idiotez mostrando como “expertos” a charlatanes y estafadores de lo más variopinto, que cobardemente se dedican a llenar sus bolsillos sembrando el pánico en una población sumida en la ignorancia. Hay un gran número de destacados científicos nacionales, pero los canales de televisión en lugar de educar prefieren montar este vergonzoso espectáculo.

Los chilenos en general carecen de formación científica, y viven sumidos en la superstición y un pensamiento religioso-místico digno de plena Edad Media. Este es el desastroso resultado de considerar la educación como un bien de consumo en una de las sociedades más desiguales del mundo. Con el impuesto al libro más alto del mundo, los libros se han vuelto una excentricidad lujosa en una sociedad que tampoco quiere leerlos. A mi modo de ver, lo que sucede es que en sociedades muy autoritarias se ama la tecnología y la riqueza que son fruto de la Ciencia. Sin embargo el método científico, basado en el pensamiento crítico, la duda metódica y el rechazo a toda forma de autoridad, es visto como subversivo.

¿En qué proyecto está trabajando?
Quizás parezca extraño, pero me encuentro trabajando en una idea que antes consideraba errónea. Se trata sobre campos escalares, y su posible rol en el origen y evolución temprana del Universo.

Antes era de la opinión que estos campos escalares” eran una mala idea. No calzaban muy elegantemente en la concepción matemática que tenía de cómo debía formularse la Física. Y entonces el 2012 descubrieron en el Gran Colisionador de Hadrones el bosón de Higgs, una partícula escalar”cuya existencia había sido conjeturada hace casi 50 años atrás.

En Ciencia no se obedece ninguna autoridad, excepto el Universo. Uno debe cambiar sus puntos de vista de acuerdo a lo que la evidencia experimental indique, sin importar nada más. Así que frente a ese puñetazo del Universo diciendo que estaba equivocado, me vi en la obligación de cambiar diametralmente de opinión. Ahora me encuentro trabajando con mis estudiantes precisamente en estos campos escalares, y estamos encontrando un montón de ideas interesantes en relación con Relatividad General, Simetrías y Cosmología.

Esta capacidad de ajustar la visión, experimentar, probar nuevas ideas y rechazar la autoridad y los prejuicios yace en el núcleo de la Ciencia. Por eso es considerada corrosiva por el dogma y el autoritarismo. Y por eso mismo es que en una sociedad democrática una actitud científica y escéptica debe ser parte de la educación básica, tal como lo es leer, escribir y contar.