En los once años siguientes, Einstein desarrolló una nueva teoría de la gravedad, que denominó relatividad general. El concepto de la gravedad en la relatividad general no es en absoluto como el de Newton, sino que está basado en la propuesta revolucionaria de que el espacio-tiempo no es plano como había sido supuesto anteriormente, sino que está curvado y distorsionado por la masa y energía que contiene.
Una buena manera de representar la curvatura es imaginar la superficie de la Tierra. Aunque la superficie de la Tierra sólo es bidimensional (porque sólo hay en ella dos direcciones, digamos norte/sur y este/oeste), la vamos a utilizar como ejemplo porque es más fácil representar un espacio curvado bidimensional que cuatridimensional. La geometría de los espacios curvados como la superficie de la Tierra no es la geometría euclidiana a que estamos acostumbrados. Por ejemplo, sobre la superficie de la Tierra, la distancia más corta entre dos puntos -que sabemos que es un segmento rectilíneo en la geometría euclidiana- es el camino que conecta los dos puntos a lo largo de lo que se denomina un círculo máximo. (Un círculo máximo es una línea en la superficie de la Tierra cuyo centro coincide con el centro de la Tierra. El ecuador es un ejemplo de círculo máximo, y también lo es cualquier círculo obtenido inclinando el ecuador por uno cualquiera de sus infinitos diámetros.)
Imaginemos, por ejemplo, que queremos ir de Nueva York a Madrid, dos ciudades que se hallan a la misma latitud. Si la Tierra fuera plana, el camino más corto sería ir directamente hacia el este en línea recta. Si lo hiciéramos, llegaríamos a Madrid tras recorrer 3.707 millas. Pero debido a la curvatura de la Tierra, hay un camino que parece curvado y por lo tanto más largo sobre un mapa plano, pero que en realidad es mas corto. Se puede llegar a Madrid en 3.605 millas si seguimos la ruta del círculo máximo, que va primero hacia el noreste, y después gira gradualmente hacia el este y después hacia el sureste. La diferencia de distancias entre ambas rutas es debida a la curvatura de la Tierra y constituye una señal de que su geometría no es euclidiana. Las líneas aéreas lo saben perfectamente y adiestran a sus pilotos para seguir las rutas de los círculos máximos, siempre que resulte practicable.
Según las leyes de Newton del movimiento, los objetos, como por ejemplo obuses, croissants o planetas, se desplazan en línea recta salvo que actúe sobre ellos una fuerza, por ejemplo la gravedad. Pero la gravedad, en la teoría de Einstein, no es una fuerza como las demás fuerzas sino una consecuencia de que la masa deforma el espacio-tiempo y le confiere una cierta curvatura. En la teoría de Einstein, los objetos se desplazan a lo largo de lo más parecido a las líneas rectas en un espacio curvado, llamadas geodésicas. Las rectas son geodésicas en el espacio plano y los círculos máximos son geodésicos en la superficie de la Tierra. En ausencia de materia, las geodésicas en el espacio-tiempo cuatridimensional corresponden a rectas en el espacio tridimensional, pero en presencia de materia que deforme el espacio-tiempo, las trayectorias de los cuerpos en el espacio tridimensional correspondiente se curvan de una manera que en la teoría newtoniana era explicada por la atracción de la gravedad. Cuando el espacio-tiempo no es plano, las trayectorias de los objetos parecen estar curvadas, y producen la impresión de que sobre ellos está actuando una fuerza.
La teoría de la relatividad general de Einstein se reduce a la relatividad especial en ausencia de la gravedad y hace casi las mismas predicciones -pero no idénticas- que la teoría de la gravitación de Newton en el ambiente de gravitación débil de nuestro sistema solar. De hecho, si no se tuviera en cuenta la relatividad general en el sistema GPS de navegación por satélite, los errores en la posición global se acumularían a un ritmo de unos ¡diez kilómetros por día! Sin embargo, la auténtica importancia de la relatividad general no es su aplicación a dispositivos que nos guíen hacia nuevos restaurantes sino que constituye un modelo del universo muy diferente, que predice nuevos efectos como ondas gravitatorias y agujeros negros. Y así, la relatividad general ha transformado la física en geometría. La tecnología moderna es suficientemente sensible para permitirnos llevar a cabo muchas pruebas detalladas de la relatividad general, y las ha superado todas con éxito.
Aunque ambas revolucionaron la física, la teoría de Maxwell del electromagnetismo y la teoría de Einstein de la gravitación – la relatividad general- son, como la física de Newton, teorías clásicas, es decir, son modelos en que el universo tiene una sola historia. Tal como vimos en el capítulo anterior, a nivel atómico y subatómico esos modelos no concuerdan con las observaciones, sino que debemos utilizar teorías cuánticas en que el universo puede tener cualquier historia posible, cada una de ellas con su propia amplitud de probabilidad. Para los cálculos prácticos para el mundo cotidiano podemos continuar utilizando las teorías clásicas, pero si queremos comprender el comportamiento de los átomos y las moléculas necesitamos una versión cuántica de la teoría de Maxwell del electromagnetismo, y si queremos comprender el universo primitivo, cuando toda la materia y toda la energía del universo estaban comprimidas en un volumen diminuto, necesitamos una versión cuántica de la teoría de la relatividad general. También necesitamos dichas teorías si queremos llegar a una comprensión fundamental de la naturaleza, porque no sería consistente que algunas de las leyes fueran clásicas y otras cuánticas. Por lo tanto, tenemos que hallar versiones cuánticas de todas las leyes de la naturaleza. Tales teorías se denominan teorías cuánticas de campos.
Las fuerzas conocidas de la naturaleza pueden ser divididas en cuatro clases:
1) Gravedad. Es la fuerza más débil de las cuatro, pero es una fuerza de largo alcance y actúa de forma atractiva sobre todos los objetos del universo. Ello implica que para cuerpos grandes las fuerzas gravitatorias se suman y pueden dominar sobre todas las demás fuerzas.
2) Electromagnetismo. También es una fuerza de largo alcance y es mucho más intensa que la gravedad, pero sólo actúa sobre partículas con carga eléctrica y es repulsiva entre cargas del mismo signo y atractiva entre cargas de signo opuesto. Ello significa que las fuerzas eléctricas entre cuerpos grandes se anulan entre sí, pero a escala de átomos y moléculas son dominantes. Las fuerzas electromagnéticas son las responsables de toda la química y la biología.
3) Fuerza nuclear débil. Produce la radiactividad y desempeña un papel decisivo en la formación de los elementos en las estrellas y en el universo primitivo. Sin embargo, en la vida corriente no entramos en contacto con esa fuerza.
4) Fuerza nuclear fuerte. Mantiene unidos los protones y los neutrones dentro de los núcleos atómicos. También mantiene la integridad de los protones y neutrones, lo cual es necesario porque están formados por partículas todavía más diminutas, los quarks, mencionadas en el capítulo 3. La fuerza nuclear fuerte es la fuente de energía del Sol y de las centrales nucleares pero, tal como ocurre con la fuerza nuclear débil, no tenemos un contacto directo con ella.
La primera fuerza para la cual se propuso una versión cuántica fue el electromagnetismo. La teoría cuántica del campo electromagnético, denominada electrodinámica cuántica o simplemente QED (siglas en inglés de quantum electrodynamics), fue desarrollada en la década de 1940 por Richard Feynman y otros, y se ha convertido en un modelo para todas las teorías cuánticas de campos. Tal como hemos dicho, según las teorías clásicas las fuerzas son transmitidas por campos. Pero en las teorías cuánticas de campos, los campos de fuerzas son representados como constituidos por partículas elementales denominadas bosones, que son las partículas transmisoras de fuerzas que se intercambian entre las partículas de materia, transmitiendo las fuerzas. Los electrones y los quarks son ejemplos de fermiones. El fotón, o partícula de luz, es un ejemplo de un bosón; es el bosón el que transmite la fuerza electromagnética. Lo que ocurre es que una partícula de materia, como por ejemplo un electrón, emite un bosón o partícula de fuerza, y recula al hacerlo, como un cañón recula al disparar un obús. La partícula transmisora de la fuerza choca después con otra partícula de materia y es absorbida por ella, con lo cual modifica el movimiento de dicha partícula. Según la QED, todas las interacciones entre partículas cargadas eléctricamente -partículas sensibles a la fuerza electromagnética- son descritas en términos del intercambio de fotones.