Isabel Cordero Carrión, Universitat de València

Les prediccions d'Albert Einstein encara continuen sorprenent la comunitat científica més d'un segle després de formular-les, tant les ja confirmades com les que continuem explorant.

Albert Einstein es troba en les primeres posicions de la llista dels científics més famosos i icònics de la història. Les seues teories de la relativitat especial de 1905 i de la relativitat general de 1915 literalment van revolucionar la física. Va anar més enllà de la teoria de la gravetat de Newton, que estava vigent des de 1687. Einstein va introduir, a més, els seus famosos experiments mentals, que també van posar a prova els incipients desenvolupaments de la mecànica quàntica. Les seues aportacions en aquest camp van merèixer el premi Nobel en Física, que li van atorgar el 1921 per l'efecte fotoelèctric.

Molta gent creu que el premi Nobel per la relativitat general, que no li van donar, és un gran deute pendent. En aquesta nova teoria, la gravetat s'entén com a deformació o curvatura de l'espaitemps, provocada per la distribució de masses i energies. Com més massa s'acumule en menys volum, més es deforma o es corba l'espaitemps al seu voltant. Qualsevol altra partícula o objecte que passe prop d'aquests objectes sent aquesta curvatura, cosa que fa que canvie la seua trajectòria.

Predicció confirmada: el dia que es va observar la curvatura de l'espaitemps

Algunes de les prediccions o conseqüències de la relativitat general es posaren a prova en poc de temps. El 1919, tan sols quatre anys després de la publicació de la teoria, tingué lloc un eclipsi total de Sol. Era l'esdeveniment idoni per a posar a prova la curvatura de l'espaitemps.

Hi va haver diverses expedicions científiques que van viatjar fins al Brasil i la costa oest africana per prendre les millors fotografies i dades d'aquest eclipsi i, sobretot, dels estels que envoltaven el Sol.

L'objecte més massiu i compacte que tenim en la nostra rodalia és el Sol. Allò que es volia comprovar era si la llum d'estels llunyans, en passar prop del Sol, es veia afectada per la curvatura de l'espaitemps que l’astre genera. Si era així, la seua trajectòria es desviaria lleugerament d'una línia recta i faria que la posició aparent de l'estel en el cel patís un petit canvi. La confirmació d'aquest efecte, coherent amb les mesures de l'eclipsi de 1919, va fer Einstein mundialment famós.

Els dubtes d'Einstein: les vibracions de l'espaitemps

Per a demostrar experimentalment altres prediccions de la relativitat general, hem necessitat esperar bastant més. El 1916 Einstein va començar a analitzar amb molt de detall les seues equacions i, en particular, una sèrie de termes que, després d'una petita simplificació, s'assemblen enormement a una equació d'ones: la mateixa estructura que apareix en múltiples sistemes físics on tenim una pertorbació que es propaga transportant energia.

En aquest cas, les equacions diuen que el que vibra és l’espaitemps mateix, i aquestes pertorbacions, les anomenem ones gravitatòries.

Podrien observar-se? Hi hauria alguna manera de “sentir” les vibracions de l'espaitemps?

Durant la seua vida, Einstein va dubtar sobre l'existència real d'aquest fenomen (era potser un artefacte matemàtic, però sense realització física?). Einstein no va ser la primera ni l'única eminència en física que va dubtar de les conseqüències matemàtiques de la seua teoria. Va tenir diferències i desavinences amb col·legues i prestigioses revistes científiques que han donat lloc a interessantíssims relats.

Siga com siga, i amb la contribució de destacades personalitats, finalment es va entendre que efectivament les ones gravitatòries eren una predicció real de la teoria. Se’n van analitzar les propietats i sols faltava per veure si donava fruits la cursa tecnològica per a comprovar-ne experimentalment l’existència.

Predicció confirmada: les ones gravitatòries es “van sentir” per fi

L'amplitud d'aquestes ones és tan, tan, tan (es poden posar tots els tan que es vulguen) extremadament feble que el mateix Einstein no tenia gaire confiança que fos possible detectar-les algun dia. Cap de totes les proves a què se sotmetia a la relativitat general no era capaç de trobar-hi discrepàncies, però el fet de no detectar ones gravitatòries o de detectar-les amb propietats diferents a les teoritzades implicaria la demostració que aquesta teoria no reproduïa fidelment la realitat: el guant estava llançat.

Per a l'èxit del desenvolupament tecnològic van caldre dècades, i també els habituals intents fallits que en ciència no sempre s'esmenten, com ara els experiments capdavanters en els anys seixanta del físic Joseph Weber amb les barres ressonants.

Els instruments que han sigut capaços d'aconseguir superar finalment aquest repte són els interferòmetres làser de braços quilomètrics.

La primera detecció d'ones gravitatòries tingué lloc el 2015, fou duta a terme pels observatoris nord-americans LIGO i representà un esdeveniment literalment històric.

Les ones gravitatòries detectades estaven associades, a més, a una altra de les conseqüències de la relativitat general: procedien de la fusió de dos forats negres d'unes 36 i 29 vegades la massa del Sol, i van travessar els detectors després de viatjar uns 1300 milions d'anys llum.

L'observatori europeu Virgo es va incorporar a la presa de dades en l'estiu de 2017, amb una triple detecció d'una fusió d'estels de neutrons que va incloure les ones gravitatòries en l'astronomia de multimissatgers.

L'observatori KAGRA s'havia d’afegir a la xarxa global en el pròxim període d'observació, prevista per al desembre de 2022.

Tenim ja un total de 90 esdeveniments confirmats, tots els quals tenen com a escenari astrofísic la fusió de dos objectes compactes: parelles de forats negres, parelles d'estels de neutrons o bé parelles barrejades d'un forat negre i un estel de neutrons.

La porta de la recerca està oberta a objectes compactes de naturalesa diferent, i les ones gravitatòries que generen ens poden donar pistes sobre la seua estructura i propietats. Estem impacients per veure les noves sorpreses que estan per arribar.

La constant cosmològica: la “pífia” més grossa d'Einstein?

En el capítol de les prediccions d'Einstein no podem oblidar la famosa constant cosmològica, que també li va generar contradiccions. Aquesta constant, les seues propietats i saber, amb el suport de futures dades, si és capaç de modelar fidelment l'evolució i l’expansió de l'univers és la pàgina del llibre que està escrivint-se ara mateix.

Einstein va introduir aquesta constant en les seues equacions per forçar (per creences personals) un model d'univers estàtic, una espècie de “energia repulsiva” sense la qual l'univers acabaria col·lapsant-se pel mateix efecte de la gravetat.

Ara bé, després de les observacions de 1931 del físic Edwin Hubble sobre l'expansió de l'univers, Einstein va considerar la seua proposta com “la pífia més grossa” de la seua obra científica. Ho era realment?

L'interès per la constant cosmològica que va introduir Einstein va tornar a ressorgir amb les teories quàntiques de camps, perquè aquestes prediuen una energia de buit que es pot comportar, amb caràcter general, com la constant cosmològica que va predir.

De manera que sembla que Einstein, de nou, la va tornar a encertar.

Isabel Cordero Carrión, Professora i investigadora de la Facultat de Matemàtiques, Universitat de València

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.