Jürgen Ehlers (en idioma alemán [ˈjʏʁɡŋ̩ ˈeːlɐs]; Hamburgo, 29 de diciembre de 1929 – Potsdam, 20 de mayo de 2008) fue un físico alemán que contribuyó a la comprensión de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Después de su labor como de graduado y posgraduado en el grupo de investigación de la relatividad de Pascual Jordan en la Universidad de Hamburgo, ocupó diversos puestos como profesor antes de unirse al Instituto Max Planck de Astrofísica en Múnich como director. En 1995, fue nombrado director fundador del recién creado Instituto Max Planck para la Física Gravitacional en Potsdam.
La investigación de Ehlers se centró en los fundamentos de la relatividad general, así como en aplicaciones de la teoría a la astrofísica. Formuló una clasificación adecuada de soluciones exactas a las ecuaciones de campo de Einstein y probó el Teorema de Ehlers–Geren–Sachs, que justifica la aplicación de modelos simples, generales y relativistas de universos a la moderna cosmología. Creó una descripción orientada en el espacio-tiempo de las lentes gravitacionales y clarificó la relación entre los modelos formulados en el marco de la relatividad general y los formulados dentro de la gravedad newtoniana. Además, Ehlers mostró un gran interés por la historia y la filosofía de la física y fue un ferviente divulgador de la ciencia.
Biografía Primeros años
Jürgen Ehlers nació en Hamburgo. Asistió a la escuela pública entre 1936 y 1949, después comenzó a estudiar física, matemáticas y filosofía en la Universidad de Hamburgo desde 1949 hasta 1955. En invierno de 1955-1956, pasó la prueba de acceso a profesor, sin embargo no ejerció como tal, si no que realizó una investigación de postgrado con Pascual Jordan, que fue el revisor de su tesis. El trabajo doctoral de Ehlers trataba sobre la construcción y caracterización de soluciones de las ecuaciones de campo de Einstein. Obtuvo su doctorado en física en la Universidad de Hamburgo en 1958. Antes de la llegada de Ehlers, la investigación principal del grupo Jordan había sido dedicada a la modificación del tensor escalar de relatividad general que más tarde pasó a ser conocida como la Teoría Jordan-Brans-Dicke. Esta teoría se diferencia de la relatividad general en que la constante gravitacional es substituida por un campo variable. Ehlers contribuyó decisivamente a que el grupo cambiara el foco de investigación a la estructura y la interpretación de la teoría original de Einstein. Entre los otros miembros del grupo estaban Wolfgang Kundt, Rainer K. Sachs y Manfred Trümper. Tenían una relación cercana con Otto Heckmann y su estudiante Engelbert Schücking en Hamburger Sternwarte, el observatorio de la ciudad. Algunos de los invitados al coloquio eran Wolfgang Pauli, Joshua Goldberg y Peter Bergmann. En 1961, como asistente de Jordan, Ehlers se habilitó como profesor y se mantuvo en ese trabajo y en una posición de investigación en Alemania y EE. UU., específicamente en la Universidad de Kiel, Syracuse y en la Universidad de Hamburgo. Entre 1965 y 1971 mantuvo varias posiciones en el grupo Alfred Schild en la Universidad de Texas en Austin, comenzando como profesor asociado y, en 1967, como profesor a tiempo completo. Durante ese período, estuvo en contacto con catedráticos de universidades de Würzburg y Bonn.
Múnich
En 1970, Ehlers recibió una oferta del instituto Max Planck de física y astrofísica en Múnich como director del departamento de la teoría gravitacional. Ehlers fue sugerido por Ludwig Biermann, el director del instituto en ese momento. Trabajando allí en 1971, pasó a ser profesor adjunto en la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich. En marzo de 1991 el instituto se dividió en Instituto Max Planck de Física e Instituto Max Planck de Astrofísica, donde se incluyó el departamento de Ehlers. Durante los 24 años de su estancia allí, en su grupo de investigación constaban, entre otros, Gary Gibbons, John Stewart y Bernd Schmidt, así como científicos visitantes como Abhay Ashtekar, Demetrios Christodoulou y Brandon Carter. Uno de los estudiantes postdoctorales de Ehlers en Múnich era Reinhard Breuer, que más tarde se hizo el redactor jefe de Spektrum der Wissenschaft, la edición alemana de la popular revista científica Scientific American.
Potsdam
Cuando las instituciones alemanas de ciencia se reorganizaron después de la reunificación de Alemania en 1900, Ehlers ejerció presión para que se creara un instituto de la Sociedad Max Planck dedicado a la investigación de la teoría gravitacional. El 9 de junio de 1994, la sociedad decidió abrir el instituto Max Planck de física gravitacional en Potsdam, que comenzó a ser operativo el 1 de abril de 1995, con Ehlers como director fundador y como líder del departamento de fundamentos y matemáticas de la relatividad general. Ehlers supervisó entonces la fundación de un segundo departamento de investigación de ondas gravitacionales, dirigido por Bernard F. Schutz. El 31 de diciembre de 1998, Ehlers se retiró y fue nombrado director emérito.
Investigaciones Las investigaciones de Ehlers estaban en el campo de la relatividad general. En particular, hizo contribuciones en cosmología, en la teoría de lentes gravitacionales y ondas gravitacionales. Su principal preocupación era la clarificación de la estructura matemática de la relatividad general y sus consecuencias, separando pruebas rigurosas de conjeturas heurísticas.
Soluciones exactas
Para su tesis doctoral, Ehlers profundizó en una pregunta que fue el eje central de su investigación. Buscó soluciones exactas a las ecuaciones de Einstein: modelos de universos compatibles con las leyes de la relatividad general que son bastante simples para tener una descripción explícita en cuenta en términos de expresiones básicas matemáticas. Estas soluciones exactas juegan un papel clave cuando hay que elaborar modelos generales relativistas de situaciones físicas. Sin embargo, la relatividad general es una teoría completamente covariante, sus leyes son las mismas, independientemente de cuáles son las coordenadas escogidas para describir una situación dada. Una consecuencia directa es que dos soluciones exactas aparentemente diferentes podrían corresponder al mismo modelo del universo, distinguiéndose únicamente en sus coordenadas. Por lo tanto, Ehlers comenzó a buscar métodos útiles de caracterizar soluciones exactas invariantes, esto quiere decir, que no dependen de la elección de las coordenadas. Con el fin de realizar su trabajo, buscó el modo de describir las propiedades de la geometría intrínseca de las soluciones exactas conocidas.
Durante la década de los 60, siguiendo su tesis doctoral, Ehlers publicó una serie de artículos de los cuales uno, ha sido en colaboración con amigos de un grupo de Hamburgo, pasando después empezó a conocerse como “Hamburg Biblie”. El primer artículo, escrito con Jordan y Kundt, es un tratado acerca de cómo caracterizar soluciones exactas con las ecuaciones del campo de Einstein de una forma sistemática. El análisis presentado allí utiliza herramientas de geometría diferencial como en la clasificación de Petrov de la curvatura de Weyl (es decir, aquellas partes del tensor de curvatura que describen la curvatura del espacio-tiempo que no son regidas por las ecuaciones de Einstein), grupos de simetría y transformaciones conformes. Este trabajo también incluye la primera definición y clasificación de las ondas-pp, una clase de ondas gravitacionales simples.
Los siguientes artículos tratan de la radiación gravitacional (uno con Sachs, el restante con Trümper). El trabajo con Sachs estudia, entre otras cosas, soluciones del vacío con propiedades algebraicas especiales, usando el formalismo de campos de espin de dos componentes. Además, también proporciona una exposición sistemática de las propiedades geométricas de haces (en términos matemáticos: congruencia) de rayos luminosos. La geometría del espacio-tiempo puede influir en la propagación de la luz, haciendo que se converja o se diverja una con respecto a la otra, o deformando los haces de luz que cruzan esa sección si cambiar su área. El artículo formaliza estos posibles cambios en el haz en cuanto a la expansión de los haces (convergencia/divergencia), y la torsión y corte (deformación conservadora del área perteneciente a la sección transversal), relacionando aquellas propiedades a la geometría del espacio-tiempo. El resultado es el Teorema Ehlers-Sachs-Geren describiendo las propiedades de las sombras producidas por un haz estrecho de luz el cual encuentra a su camino un objeto opaco. Las herramientas desarrolladas en este trabajo resultarían esenciales para el descubrimiento de Roy Kerr (métrica de Kerr), describiendo un agujero negro rotante, una de las más importantes soluciones exactas.
El último de estos artículos científicos seminales abordó el tratamiento de la teoría general de la relatividad de la mecánica de los medios continuos. Por útil que sea la idea de una masa puntual en física clásica, en la relatividad general, tal concentración idealizada de masa en un punto concreto del espacio ni siquiera está bien definida. Es por eso que la hidrodinámica relativista, es decir, el estudio de los medios continuos, es una parte fundamental de la construcción de modelos en relatividad general. El artículo describe sistemáticamente los conceptos básicos y modelos en los que el editor de la revista General Relativity and Gravitation, con ocasión de publicar una traducción al inglés 32 años después de la fecha original de publicación, calificó como “uno de los mejores análisis de esta área”.
Otra parte de la investigación de Ehlers en su tesis acerca de las soluciones exactas llevó a un resultado que más tarde adquirió relevancia. En el momento en el que comenzó su investigación para la tesis doctoral, la edad de oro de la relatividad general aún no había comenzado y las propiedades y conceptos básicos de los agujeros negros aún no se entendían. En el trabajo que le condujo a su tesis doctoral, Jürgen Ehlers demostró importantes propiedades de la superficie que rodea un agujero negro que más tarde se identificaría como horizonte, en particular que el campo gravitacional interior no puede permanecer estático, pero debe cambiar con el tiempo. Un ejemplo simple es el “puente de Einstein-Rosen”, o el agujero negro de Schwarzschild que forma parte de la solución de Schwarzschild que describe un agujero negro idealizado, esféricamente simétrico: el interior del horizonte alberga un puente, como una conexión que cambia en el tiempo, colapsándose lo suficientemente rápido como para evitar a cualquier viajero espacial el viajar a través del agujero de gusano.
Grupo Ehlers
En física, dualidad significa que existen dos descripciones equivalentes de una situación física particular, utilizando conceptos físicos diferentes. Es un caso especial de simetría física, es decir, un cambio que conserva las características de un sistema físico. Un ejemplo de dualidad es la que ocurre entre el campo eléctrico E y el campo magnético B electrodinámico: en ausencia completa de cargas eléctricas, la sustitución E → -B,B → E deja las ecuaciones de Maxwell invariantes. Cada vez que un par particular de expresiones para B y E se ajustan a las leyes de la electrodinámica, cambiar las dos expresiones que rodean y añadir un signo menos a la nueva B es también válido. En su tesis doctoral, Ehlers señaló una simetría de dualidad entre diferentes componentes de la métrica del vacío espacio-tiempo inmóvil, que traza un mapa de las soluciones de las ecuaciones del campo de Einstein . Esta simetría entre la componente-tt de la métrica, la cual describe el tiempo medido por relojes cuyas coordenadas espaciales no cambian, y el término conocido como potencial de giro es análogo a la ya mencionada dualidad entre E and B.