Las tres pruebas de la teoría general de la relatividad

       El propio Einstein plantea varios experimentos que demostraría la teoría general de la relatividad: la órbita de Mercurio, el aparente desplazamiento de las estrellas en un eclipse y el corrimiento al rojo de la luz. La primera de ellas explica una desviación que Le Verrier había observado en la órbita de este planeta, que consiste en el leve oscilamiento de sus ápsides. Es decir, no sólo el planeta, sino la órbita en sí giraba alrededor del Sol, una media de 5.600 segundos por siglo (Le Verrier observó el planeta durante más de cuarenta años para notar este efecto).

       «Es cierto que las observaciones de Mercurio no indican ninguna desigualdad en la inclinación de la órbita o en la posición del nodo, que no resulta de los valores obtenidos para las masas de los planetas conocidos. Pero esto no es una dificultad. Si la perturbación del perihelio no ha pasado desapercibida, es debido a la magnitud de la excentricidad de la órbita, y a que esta circunstancia hizo muy apreciable el cambio en el valor de la ecuación del centro. Sin embargo, nada de esto ocurre para las latitudes, en las que no asumimos que la órbita de la masa perturbadora está fuertemente inclinada a la órbita de Mercurio» (RA).

       Las leyes de Newton permitían justificar parte de este movimiento (5.557 segundos por siglo), pero no todo él. No obstante, al aplicar las fórmulas desarrolladas por la teoría general de la relatividad, se explicaba esta diferencia con gran precisión, hasta el punto de que permitía calcular la oscilación de otros planetas, mucho menos sensible y todavía no observada: «acorde a la teoría general de la relatividad resulta que todas las elipses de los planetas deben rotar alrededor del Sol de la misma forma» (UR: 2,29). También la oscilación de la Luna, que Newton había justificado solo parcialmente, queda explicada en su práctica totalidad. La cercanía de un cuerpo a otro de gran masa ralentizará el tiempo a su alrededor, en mayor medida respecto a cuando estuvieran más alejados, lo cual justificaría este efecto. No es una atracción, sino una distorsión del tiempo y del espacio, lo que produce que las órbitas giren alrededor de sus focos. Y esto refuerza la teoría general de la relatividad, porque esta permitía predecir estos movimientos.

       La segunda prueba requiere la masa del Sol y la luz de las estrellas. Si la gravedad es una curvatura del espacio-tiempo, y por lo tanto curva la trayectoria de la luz, este fenómeno debería ser observable. La Tierra produce una distorsión muy pequeña para ser observada, pero el Sol si tiene suficiente masa como para desviar la trayectoria de la luz sgnificativamente, y Einstein propone un experimento para probarlo: «las estrellas fijas que aparecen cerca del Sol, las cuales se pueden observar durante un eclipse solar total, deben aparecer alejadas del Sol frente a la posición que ocupan en el cielo, cuando el Sol se encuentra en otra posición» (UR, 2:22). Y, en efecto, en un eclipse del 30 de mayo de 1919, dos expediciones organizadas por la Royal Society confirmaron este fenómeno.

       Está comprobación se repitió con la primera imagen de un agujero negro, tomada por el Event Horizon Telescope, que fotografió la luz que se desvía al pasar cerca de este cuerpo masivo, lo cual es la base del gravitational lensing, mediante la cual se han podido descubrir agujeros negros, la materia oscura y planetas extrasolares. Es más, la teoría de la relatividad planteó detalladamente la existencia de estos agujeros negros (un cúmulo de masa suficientemente grande podría tener tanta gravedad que la luz no podría escapar al entrar en su campo gravitatorio), así como los llamados anillos de Einstein, observables en muchas imágenes del Hubble Space Telescope. Es decir, este efecto ha pasado a usarse de manera rutinaria en la astronomía del siglo XX y XXI.

       La tercera prueba, también propuesta por Einstein, es el corrimiento al rojo de la luz proveniente de una estrella muy masiva (que tengan una gran gravedad) y de radio muy pequeño (para que este efecto esté muy concentrado), como una enana blanca. Este efecto se debe a la distorsión del tiempo y espacio que la gravedad proveniente de dicha estrella tiene sobre la luz por ella misma producida. Si bien en los agujeros negros la luz no puede escapar del campo gravitatorio, en las enanas blancas sí lo hace, pero ralentizada. Mejor dicho, se ralentizaría de no ser porque el valor de la velocidad de la luz es absoluto, lo que se traduce en una modificación del tiempo y el espacio de la luz (una ralentización del tiempo y una dilatación del espacio) que se traduce en un corrimiento al rojo de esta (de longitudes de onda más cortas a más largas). Esto fue confirmado claramente en 1954 por Daniel M. Popper:

       «Así, la gravitación parece ser el único efecto que puede producir el corrimiento al rojo observado. Resta comparar el valor observado con el predicho por la relatividad general. […] Concluímos que el corrimiento al rojo observado, que se puede atribuir enteramente al efecto gravitacional, coincide con el valor predicho» (RS).

       La teoría de la relatividad, por lo tanto, expande nuestra comprensión del mundo más allá de los límites fijados por la mecánica clásica, implicando un cambio en las estructuras fundamentales acorde a las cuales pensamos nuestro universo (tiempo y espacio, pero también materia y energía) y siendo fundamental para el día a día de la ciencia moderna y de nuestra forma de vida. Los propios GPSs del móvil, basados en satélites que están considerablemente lejos de la Tierra, tienen que corregir constantemente su posición en función a esta teoría, pues están tan lejos del campo gravitatorio terrestre que su tiempo y espacio son ligeramente distintos al nuestro. Sin esta corrección, al día se acumularán kilómetros de margen de error.

       No obstante, actualmente no están claros los límites de esta teoría, y no se sabe si a una escala aún mayor (como el universo en general) o mucho menor (en las partículas más pequeñas que conocemos, como el bosón de Higgs), estas leyes funcionan y son suficientes para explicar los fenómenos. Al fin y al cabo, incluso con esta teoría, la física contemporánea predice que más del 95% del universo es materia o energía oscura, es decir, una realidad física que no podemos medir de ninguna manera, pero que tiene que estar ahí para darle sentido a nuestra forma de entender el mundo. Y aquí empezamos a movernos, en cierto sentido, en las tinieblas.

Citas:

RA: Le Verrier. Recherches astronomiques. Section IV. Comparison de la théorie avec les observations. (pg. 103).

UR: Albert Einstein. Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie. 1986. Zweiter Teil: Über die allgemeine Relativitätstheorie. Kap. 29: Die Lösung des Gravitationsproblems.

RS: Daniel M. Popper. Red shift in the spectrum of 40 Eridani. 1954.