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1919: El eclipse que demostró que Einstein tenía razón

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En 1896, 165 astrónomos profesionales y aficionados de todo el mundo se embarcaron en una expedición de un mes a Vadsø, Noruega, para observar un eclipse solar total que tendría lugar el 9 de agosto. En la foto, Joseph Lunt (derech) de la British Astronomical Association asociación ajusta una cámara especialmente diseñada que necesitaba de cuatro personas para operar. Foto National Geographic.
Representación esquemática del eclipse solar de hoy. Foto: NASA.

Hoy lunes 21 de agosto, cuando la Luna se interponga entre el Sol y la Tierra, habrá un eclipse solar que será visible de forma total desde Estados Unidos, y de forma parcial en otros lugares del mundo. Los astrónomos y la moderna instrumentación han hecho posible calcular milimétricamente cualquier eclipse. Si quiere dar un repaso fotográfico a algunas de las expediciones más famosas realizadas por los cazadores de eclipses, abra este enlace de la National Geographic.

Entre todos los eclipses solares el de 29 de mayo de 1919 supuso una gran contribución a la física moderna. Al medir las posiciones de ciertas estrellas antes y durante el eclipse, el astrónomo Sir Arthur Eddington aportó una prueba concluyente para apoyar la teoría de Einstein de la relatividad general. Los amigos delas series disponen de una de la BBC sobre este acontecimiento: Einstein and Eddington; con menos medios pero con iguales ganas, trataré de explicar la historia que subyace en el experimento de Eddington

La percepción que tenemos del espacio está condicionada por la geometría euclídea, en cuyo ámbito el teorema de Pitágoras se cumple perfectamente. Esto significa que el espacio es plano. Sabemos que vivimos en un planeta de forma esférica, pero nuestra percepción es que el espacio donde nos movemos es plano. En situaciones normales, la geometría euclídea funciona perfectamente y arquitectos, cartógrafos e ingenieros la usan sin ningún problema.

En el siglo XIX Gauss y Riemman describieron otros espacios en los que la geometría no es plana y, por tanto, el teorema de Pitágoras no se cumple. Esto significa que medir la distancia entre dos puntos no es lo mismo en una geometría euclídea (plana) que en una geometría no euclídea (con curvatura).

La Teoría de la Relatividad Especial propuesta por Einstein (1905) utilizó un espacio euclídeo, en el que la luz se mueve siguiendo una línea recta. Esto es así, porque esa teoría no incluye la aceleración en un sistema de referencia. Einstein era consciente de ese defecto e incluyó la aceleración en su nueva teoría, la de la Relatividad General (1916). Al incluir la aceleración, se dio cuenta de que, dado que la gravedad es una aceleración, su teoría ampliaba la Teoría de la Gravitación Universal de Newton.

Foto: BBC.

¿Que ocurriría con un rayo de luz en esta la teoría de la Relatividad General? En 1916 Einstein ya había descubierto la relación entre la energía y la masa, y, por tanto, que un rayo de luz tenía masa y tendría que ser afectado por la fuerza gravitatoria; así las cosas, el rayo se desviaría de la trayectoria recta y seguiría un camino curvado. En tal caso, la geometría euclídea no era útil para sostener la Relatividad General.

La primera conclusión es que la gravedad curva la luz; la segunda es que si la trayectoria de la luz no es recta sino curva, el espacio no es plano sino curvo. Einstein comprendió que la trayectoria de la luz sigue la curvatura del espacio y, por tanto, hay que aplicar la geometría no euclídea o de Riemman. Como Einstein no se andaba por las ramas, clavó los codos en la geometría de Riemman y durante cinco semanas del otoño de 1915 se dedicó a establecer cuáles serian las ecuaciones de la Relatividad General, incorporando la curvatura del espacio. Presentó las ecuaciones el 15 de noviembre de 1915 ante la Academia Prusiana de Ciencias de Berlín. Su conclusión era que «La gravitación no es una fuerza física de atracción que actúa en el espacio sino una manifestación de la geometría del universo».

Isaac Newton tuvo la misma idea al considerar que la luz está compuesta por corpúsculos o partículas, como diríamos hoy día. Al considerar a la luz formada por partículas con masa, Newton estaba seguro de que estas tendrían que desviarse forzosamente al pasar cerca del Sol en cumplimiento de la ley de la gravitación universal. Pero nunca se le ocurrió observar esta desviación y tampoco habría podido hacerlo por la falta de precisión de los instrumentos.

Isaac Newton. Imagen.

En 1801, von Soldner intentó conocer cuál seria esta desviación considerando que la masa de las partículas de luz era despreciable respecto a la del Sol, llegando a la conclusión de que la desviación era de 0,87 segundos de arco. Justo en el límite de la precisión de los instrumentos de la época.

Según la teoría establecida por Einstein, la luz estaba compuesta por fotones, partículas sin masa y, por tanto, no susceptibles de ser atraídas por un campo gravitatorio según la teoría de Newton. Pero Einstein consideraba que la energía y la masa están relacionadas mediante la famosa ecuación E = Mc2 , y, puesto que la luz adquiere energía cinética debido a su velocidad, forzosamente tiene que adquirir masa e interaccionar con el campo gravitatorio. En 1911 Einstein había asumido el cálculo de esta desviación tal como la concebía Newton, pero haciendo una salvedad: no había que considerar la masa del fotón sino su energía. Llegó a la conclusión de que la desviación debía ser igual a la predicha por Soldner.

En 1896, 165 astrónomos profesionales y aficionados de todo el mundo se embarcaron en una expedición de un mes a Vadsø, Noruega, para observar un eclipse solar total que tendría lugar el 9 de agosto. En la foto, Joseph Lunt (derech) de la British Astronomical Association asociación ajusta una cámara especialmente diseñada que necesitaba de cuatro personas para operar. Foto National Geographic.

En 1916, con las ecuaciones de la Relatividad General completadas, Einstein se percató de que necesitaba añadir la curvatura espacial al cálculo de la desviación de la luz. Añadiendo este factor de corrección, la desviación era el doble de la predicha por Soldner: 1,74 segundos de arco. La diferencia entre el valor predicho por la teoría gravitacional de Newton y la nueva emanada de la relatividad general de Einstein generó una batalla ideológica enmarcada en la contienda entre Inglaterra y Alemania durante la Primera Guerra Mundial. Recordemos que Newton era inglés y Einstein era tomado por alemán.

Un hombre instala un telescopio-celostato unido a un dispositivo fotográfico en Wadesboro, Carolina del Norte, durante la preparación de una expedición de la Sociedad Smithsoniana para observar el 28 de mayo de 1900, el eclipse solar. Al girar lentamente un espejo plano, un celostato refleja continuamente la luz de un eclipse en movimiento en un telescopio hasta crear una imagen estacionaria. Foto: National Geographic.

Según la nueva teoría de Einstein, las estrellas que se ven cerca del Sol durante un eclipse total deberían observarse ligeramente desplazadas en el cielo respecto a su posición correcta porque la masa solar curvaría los rayos de luz procedentes de ellas. Las estrellas que están más cerca del Sol sufrirán mayor desviación y, por tanto, son las candidatas óptimas para medir la desviación. El inconveniente es que la medición solamente puede hacerse durante un eclipse solar total. Una expedición argentina viajó a Brasil para observar el eclipse total de 1912, pero el mal tiempo impidió cualquier observación. En 1914 se organizó una expedición alemana a Crimea durante el eclipse del 21 de agosto, pero la Primera Guerra Mundial impidió la expedición. Tales dificultades impidieron demostrar que Einstein estaba equivocado en su idea inicial.

Como no existía comunicación directa entre Inglaterra y Alemania, para un científico inglés era difícil conocer los avances de la Relatividad General. En 1916, Willem De Sitter, astrónomo holandés, envió copias de los artículos recién publicados de Einstein a su amigo ingles Arthur Stanley Eddington, director del observatorio de Cambridge. Estupefacto, Eddington empezó a considerar a Einstein como un genio adelantado a su tiempo. En un informe enviado a la Royal Astronomical Society a principios de 1917 sostuvo la importancia de comprobar la nueva teoría de la gravedad mediante observaciones de la curvatura de la luz. Pocas semanas después, el astrónomo real Frank Watson Dyson consideró la posibilidad de realizar esta observación durante el eclipse del 29 de mayo de 1919. Y si alguien podía codirigir la expedición, ese era Eddington.

Sir Arthur Eddington probó la teoría general de relatividad de Einstein desde Príncipe, una isla de la costa oeste de África, durante el eclipse de 1919. Como temía que un día nublado arruinara el experimento, Eddington organizó su plan para que otros astrónomos realizaran las mismas observaciones desde Sobral, Brasil, donde se instaló este telescopio. El éxito de ambas observaciones puso en escena la teoría de Einstein. Foto: National Geographic.

Eddington era un gran defensor de la paz. Dentro de su brillante cerebro iba tomando forma un plan. Si él, un inglés, era capaz de demostrar que Einstein, un alemán, tenía razón por encima de otro inglés, Newton, la ciencia conseguiría aquello que los políticos no habían sido capaces de realizar: unir a Alemania y Inglaterra. La ocasión de 1919, cuando además el Sol estaría en la región de unas estrellas relativamente brillantes, las Hiades, lo que facilitaba la observación, no podía escaparse. Los británicos planearon dos expediciones gemelas en barco: una, en la que iba Dyson, el astrónomo real, se dirigió a Sobral (Brasil); la otra, con Eddington al frente, fue a isla Príncipe, en el golfo de Guinea, cerca de la costa africana.

El armisticio de la Primera Guerra Mundial se firmó en noviembre de 1918 y la preparación para la expedición estuvo terminada en febrero de 1919. La realización del experimento consistía en fotografiar las estrellas cercanas al Sol durante el eclipse y compararlas con otra fotografía realizada en el mismo lugar y la misma posición pero sin el Sol. La emoción acompañó al grupo de Eddington hasta el último momento, ya que el día clave, el 29 de mayo, amaneció nublado. Pero el cielo se despejó justo unos minutos antes del eclipse total y el británico pudo tomar sus fotografías, que reveló e intentó analizar allí mismo. Dyson tuvo más suerte con la meteorología y logró sacar siete placas del cielo despejado con el Sol oculto.

Las consecuencias de la observación del eclipse podían ser tres. Que no se observara ninguna curvatura, que existiese esa curvatura según la medida de la teoría de Newton o según la nueva teoría de Einstein. No cabe duda que Eddington estaba condicionado mentalmente con obtener una desviación que demostrara la validez de la teoría de Einstein.

Con los resultados de Sobral después de medir siete estrellas con buena visibilidad se obtenía una desviación de 1,98 segundos de arco. Los resultados de Príncipe eran menos convincentes; solamente cinco estrellas se prestaban a un resultado más o menos adecuado: la desviación era de 1,74 segundos de arco. Recordemos que el resultado según la teoría newtoniana era de 0,87 segundos de arco. Parecía que Einstein tenia razón y era un inglés quien lo había demostrado.

El 6 de noviembre de 1919 Dyson presentó los resultados seguidos de una disertación de Eddington, en una reunión conjunta de la Royal Society y de la Royal Astronomical Society.

Las publicaciones de la época dieron titulares como La luz no va en línea recta, Revolución en la ciencia, Las ideas de Newton han sido derribadas y Espacio Deformado. Había triunfado una de las dos grandes revoluciones de la física contemporánea. Empezaba la era moderna de la Cosmología y Albert Einstein se convertía en un genio del siglo XX que había alcanzado la inmortalidad. © Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.

Ampliación del artículo: John Gribbin. En busca del Big Bang (Pirámide, 1989).

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Catedrático de Biología Vegetal e Investigador del Instituto Franklin de Estudios Norteamericanos de la Universidad de Alcalá. Licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad de Granada. Doctor en Ciencias Biológicas por la Universidad Complutense de Madrid. En la Universidad de Alcalá ha sido secretario general, secretario del Consejo Social, vicerrector de Investigación y director del Departamento de Biología Vegetal. Es también director de la Cátedra de Medio Ambiente de la Fundación General de la Universidad de Alcalá. Es especialista en el estudio de la vegetación del oeste de Norteamérica, donde ha llevado a cabo su investigación desde 1989, cuyos resultados han sido publicados en un centenar de artículos científicos. Entre sus libros se cuentan Vegetation of Southeastern Spain, El paisaje vegetal de Castilla-La Mancha, La vegetación de España, Life Lines, Perfora, chico, perfora, y El fracking ¡vaya timo! Fue alcalde de Alcalá de Henares (1999-2003).

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