A 100 años del eclipse que confirmó la Teoría de la Relatividad

Las matemáticas, la física y la ciencia en general han sobrevivido a lo largo del tiempo a los embates del pensamiento mágico y las pseudociencias gracias a su capacidad para detectar errores y corregirlos sobre la marcha cuando buscan pruebas sobre hechos concretos de la realidad, de tal suerte que, si usted o yo planteamos una afirmación de cualquier tipo, necesitamos de pruebas, de comprobación, para lo que estamos diciendo.

Esto viene a colación porque hace exactamente 100 años, en 1919, justo después de la Primera Guerra Mundial, un grupo de astrónomos encabezados por el inglés Sir Arthur Eddington -un pacifista igual que Einstein- se dio a la tarea de organizar dos expediciones: una a la isla Príncipe y la otra a Brasil con la finalidad de comprobar si realmente era cierta o no, nada más y nada menos, que la Teoría General de la Relatividad que había sido propuesta por el genial Albert Einstein en 1915.

Esta teoría es muy difícil de explicar en palabras llanas debido a su gran contenido de fórmulas y ecuaciones complejas, pero, de ella, podemos decir que fue la Teoría que complementó a las leyes de la gravedad de Isaac Newton para explicar cómo es que la gravedad atrae a los cuerpos. En este sentido, Newton comprobó con gran éxito que la gravedad es una fuerza de atracción entre dos masas y que dicha fuerza está relacionada con el peso de los objetos. Así, entre mayor es el peso, mayor es la fuerza de atracción. Pero lo que Newton nunca llegó a explicar (tal vez tampoco a comprender) era el hecho de cómo es que se transmitía dicha fuerza y por qué surgía.

Fue entonces cuando Albert Einstein fue más allá de las leyes newtonianas y propuso una teoría mediante la cual la gravedad no solamente era una fuerza que atraía cuerpos y objetos entre sí, sino que, además, alteraba y cambiaba la estructura del espacio y el tiempo (antes de Einstein, el espacio y el tiempo eran dos conceptos separados, pero el alemán los unificó exitosamente).

¿Pero qué tiene de peculiar que el espacio y el tiempo se hayan unificado?  Pues nos dice mucho sobre la estructura del universo y del hecho de por qué se forman planetas, estrellas y galaxias (los objetos macroscópicos), de tal manera que desde el punto de vista de la Teoría General de la Relatividad, el universo puede ser imaginado como una gran cama elástica que se deforma en función de la masa y el peso que contenga. Si tiramos pelotas de diferente tamaño y diferente peso en esa cama elástica, observaremos que el hule de la cama no se deformará igual: allí donde hay más peso, habrá una curva más pronunciada que donde hay menos peso. El ejemplo puede extrapolarse muy bien al universo mismo, donde las pelotas son sustituidas por planetas, estrellas y galaxias, de tal suerte que no es lo mismo el peso que puede ejercer un planeta sobre el universo al peso que puede ejercer toda una galaxia que está constituida por millones de estrellas.  ¿Pero qué es el peso realmente? Una definición convencional de peso nos dice que es la “fuerza con la que la Tierra atrae a un cuerpo, por acción de la gravedad”. ¿Qué es esta extraña fuerza de la que habla esta definición? Pues nada más y nada menos que la esencia de esta fuerza es precisamente la curvatura del espacio y el tiempo que no es otra cosa que lo que llamamos fuerza de gravedad. Es decir: la curvatura del espacio y el tiempo es lo que genera cualquier campo gravitatorio que a su vez produce peso. El peso es, simple y llanamente, curvatura del espacio-tiempo.

Ahora bien: seguramente ahora se esté preguntando qué tiene que ver el tiempo en todo esto si hasta aquí nos hemos referido al espacio. Pues resulta que Einstein pudo comprobar matemáticamente que el tiempo también se deforma y se altera en función de la cantidad de gravedad, o de peso, que tiene un cuerpo por lo que, a mayor curvatura, a mayor atracción gravitatoria, el tiempo se volverá más lento. En otras palabras: si ponemos dos relojes mecánicos a funcionar (uno que esté en la superficie de la Tierra y otro a orbitar en el espacio) veremos que el que se encuentra en la Tierra se ralentizar, mientras que el que está en el espacio irá más rápido (habrá diferencia entre ellos de milisegundos, pero las habrá).  Pero si ahora  al reloj del espacio le agregamos velocidad y lo mandamos de viaje en una nave espacial junto con un astronauta a casi la velocidad de la luz, a unos 295,000 km/s a otra galaxia (algo que hasta ahora es imposible) cuando el astronauta regrese de su viaje a la Tierra se dará cuenta que sus familiares han envejecido y que él sigue siendo aún  joven (para él tiempo prácticamente no ha transcurrido porque ha viajado casi a la velocidad de la luz que es de 300,000 kms/s). En este sentido, y como intuyó Einstein a través de sus fórmulas, el tiempo va más lento para un reloj en movimiento. Es decir, conforme nos acercamos la velocidad de la luz, el tiempo se ralentiza y, por el contrario, cuando un reloj está en reposo, el tiempo es más rápido (esto último corresponde más bien a la Teoría Especial de la Relatividad que fue formulada en 1905, pero se puede ligar con la Teoría General de la Relatividad porque el hecho de que el espacio y el tiempo van de la mano).

Podemos decir entonces que en 1919 las ideas de Einstein no habían salido del papel ni de su estudio en Berlin, donde trabajaba, por el hecho de que no habían sido comprobadas experimentalmente; tenía cuarenta años en aquel entonces y aún no había emigrado a Estados Unidos. Pero Eddington (en ese entonces director del Observatorio de Cambridge) y sus colegas buscaban, a toda costa, una manera de comprobar lo que en términos matemáticos estaba ya formulado. Y se les ocurrió que una manera de hacerlo (en ese entonces era muy difícil fotografiar un eclipse) era desplazarse a Brasil y a Isla Príncipe (en África) y ver lo que sucedía con un eclipse que tendría lugar el 29 de Mayo de 1919. La fase de totalidad de dicho eclipse duró 6 minutos y 51 segundos y Eddington y su gente pudo comprobar que, efectivamente, la Teoría General de la Relatividad era cierta. ¿Cómo es que llegaron a esta conclusión? Pues resulta que, según esta teoría, los fotones de luz también tienden a cambiar de dirección, a deformarse cuando pasan cerca de un cuerpo masivo del tamaño de una estrella por lo que, a mayor masa, mayor curvatura de la luz (los fotones son las partículas de la luz y su nombre fue acuñado hasta 1926 por Gilbert Newton Lewis, Einstein les llamaba simplemente cuantos). Y cuando Eddington y sus colegas apuntaron sus telescopios desde estos dos sitios, y en plena fase del eclipse, al pasar el Sol por delante de las estrellas del cúmulo Híades, se sorprendieron al ver que éstas doblaron el recorrido de la luz y aparecían más separadas en el cielo, tal como predijo Einstein. Y como se señala en un artículo publicado en el periódico El País: “esto ocurre siempre que el Sol pasa por delante de las estrellas lejanas, pero solo se observa durante un eclipse total porque en un día normal el brillo del Sol no permite ver otros astros”.

La luz no es solamente una onda, sino también una partícula que, al igual que todos los objetos del universo, tiene masa y que los fotones que Eddington y sus colegas fotografiaron durante el eclipse cambiaron de posición cuando pasaron cerca del Sol por efectos de la atracción gravitatoria producida por este último. Con esto, la Teoría General de la Relatividad dejó de ser una simple pero compleja construcción matemática y se convirtió en el parteaguas para catapultar a Einstein a la fama mundial.  

En 2016 otro de los postulados de Einstein fue comprobado experimentalmente cuando investigadores del Observatorio Ligo comprobaron que la gravedad se transmite a la velocidad de la luz y lo hace en forma de ondas, esto gracias a que observaron la huella dejada producto de la fusión de dos Agujeros Negros. Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo donde ni siquiera la luz puede escapar de ellos, pero siempre dejan un recordatorio de su existencia. La luz que esta cerca de ellos, que aún no entra en el Horizonte de Sucesos, como se le llama a la superficie de estos hoyos, se deforma a tal grado que produce ondas que pueden ser observadas por instrumentos muy sensibles en cualquier otra región del universo. El Sol y la Tierra también producen ondas de gravedad, pero lo hacen con muchísimo menor intensidad, tan es así que hoy en día es prácticamente imposible captar ondas producidas por objetos del tamaño de una galaxia o de un simple planeta en alguna remota región del universo.

En otra ocasión les hablaré de cómo se llegaron a las conclusiones sobre la existencia de las ondas de gravedad y el impacto que tienen en el pensamiento científico para el siglo XXI.

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