Ecuaciones de Einstein

Las Ecuaciones de Einstein son el centro de la relatividad general. Proporcionan una formulación precisa, utilizando el lenguaje de las matemáticas, de la relación entre la geometría del espacio-tiempo y las propiedades de la materia.

Distancias correspondientes a 30 grados a diferencia de longitud, en diferentes latitudes, sobre la superficie de la tierra.

Estas ecuaciones se formulan utilizando el lenguaje de la geometría riemanniana, en la que las propiedades geométricas de un espacio (o espacio-tiempo) son descritas por una cantidad llamada métrica. La métrica codifica la información necesaria para calcular las nociones geométricas fundamentales de distancia y ángulo en un espacio curvo (o espacio-tiempo).

Una superficie esférica como la de la Tierra proporciona un ejemplo sencillo. La ubicación de cualquier punto de la superficie puede ser descrito por dos coordenadas geográficas: latitud y longitud. Sin embargo, a diferencia de las coordenadas cartesianas del plano, las diferencias de coordenadas no son lo mismo que las distancias en la superficie, tal y como se muestra en el diagrama de la derecha: para alguien en el ecuador, moverse hacia el Oeste por 30 grados de longitud (línea magenta) corresponde a un distancia de aproximadamente 3300 kilómetros; para alguien mucho más al norte, a una latitud de 55 grados, al moverse 30 grados de longitud hacia el oeste (línea azul) se cubre una distancia de sólo 1900 kilómetros. Las coordenadas, por lo tanto, no proporcionan suficiente información para describir la geometría de una superficie esférica o la geometría más complicada del espacio-tiempo: se necesita información adicional para convertir las diferencias de coordenadas a distancias reales. Este es, precisamente, la información codificada en la métrica: se trata de una función definida en cada punto de la superficie (o espacio, o espacio-tiempo) que describe hasta qué punto el espacio se curva o estira en el entorno de ese punto. Todas las demás cantidades que son de interés en la geometría, tales como la longitud de cada curva, o el ángulo en que dos curvas se encuentran, se puede calcular a partir de esta función métricas.^[15]

La cantidad de curvatura que hay en cada punto de un espacio (o espacio-tiempo) determina la curvatura del espacio. Más precisamente, la función métrica y la rapidez con que cambia de un punto a otro se puede utilizar para definir una cantidad geométrica llamada Tensor de curvatura de Riemann, que describe exactamente la forma en que el espacio (o espacio-tiempo) es curva en cada punto . En la relatividad general, la métrica y el tensor de curvatura son las cantidades definidas en cada punto en espacio-tiempo. Además, el contenido de materia del espacio, como se ha indicado, define otra cantidad, el tensor energía-impulsoT, y el principio de que "el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse, y la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse", significa que estas cantidades deben estar relacionados de alguna manera. Einstein formuló esta relación usando el tensor de curvatura y la métrica para definir otra cantidad geométrica G, que ahora se conoce como el tensor de Einstein, que describe algunos aspectos de la forma en la que el espacio-tiempo se curva. La ecuación de Einstein entonces se establece que

es decir, hasta un constante múltiple, la cantidad G (que mide la curvatura) se equipara con la cantidad T (que mide el contenido de materia). Las constantes que participan en esta ecuación reflejan las diferentes teorías que se usaron para deducirlas: G es laConstante de gravitación universal que ya está presente en la gravedad de Newton;c es la velocidad de la luz, la clave constante de la relatividad especial, y π es una de las constantes básicas de la geometría. La aparición de π en la ecuación se asocia con la zona (4 π) de la unidad de materia, mientras que las constantes c y G se necesitan para convertir la cantidad T (que tiene unidad físicas) en unidades puramente geométricas.

Esta ecuación es referida a menudo en plural como ecuaciones de Einstein , puesto que las cantidades G y T son determinados por un conjunto de diez funciones de las coordenadas del espacio, y las ecuaciones equiparan cada una de estas funciones componentes. Sin embargo, a causa de la libertad de cambiar las cuatro coordenadas en las que las ecuaciones se expresan, en realidad hay sólo seis ecuaciones físicas que deben cumplirse en cada punto en espacio.^[16] describe una geometría particular de el espacio y el tiempo. Por ejemplo, la primera solución que se encontró, apenas un mes después de que Einstein publicara su teoría, fue la métrica de Schwarzschild, que describe la geometría esférica alrededor de una única masa no giratoria, como una estrella o un agujero negro, mientras que la solución de Kerr describe un agujero negro giratorio. Otras soluciones pueden describir una onda gravitacional o en el caso de la más compleja solución de la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, la expansión del universo. La solución más sencilla es por supuesto el espacio-tiempo plano o espacio de Minkowski, que es el espacio-tiempo descrito por la relatividad especial.^[17]