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El avenimiento de la teoría de la relatividad –en particular, el de la teoría general– cambió la imagen de la cosmología y le confirió un fecundo impulso, innovando esta antigua rama de la ciencia de la física. Por otra parte, fue la astronomía la que le brindó primero a la teoría general las pruebas que confirmaban predicciones formuladas en ella. Las nuevas ecuaciones de campo einstianas conducen, en una primera aproximación, a la ley newtoniana, a la que contienen como un caso especial. Sin embargo, si se calculan las ecuaciones en una segunda aproximación, éstas dan exacta cuenta de la anomalía del movimiento del perihelio de Mercurio, que la ley clásica era incapaz de explicar.
La mecánica newtoniana explicaba con mucha precisión las órbitas de los planetas, hasta el punto de que algunas irregularidades observadas en la órbita de Urano sirvieron a LeVerrier para predecir la existencia y la posición del planeta Neptuno. Las órbitas newtonianas planetarias alrededor del Sol debían ser elípticas y fijas, pero podían ser perturbadas por la influencia gravitatoria de otros planetas. Por las observaciones que se habían hecho al planeta Mercurio, se sabía que la posición del perihelio de éste avanza alrededor del Sol a un ritmo de 575” de arco por siglo. Sin embargo, el propio LeVerrier, usando con rigor la ley de Newton, le había asignado en los minuciosos cálculos, un desplazamiento de 532” de arco por siglo al perihelio del más rápido de los planetas, mientras la observación rigurosa había establecido una cifra de 43” superior a la exigida por la teoría, debido a la influencia de Venus (278”); Júpiter (154”); la Tierra (90”), y el resto de los planetas (10”). Esta discrepancia, enigmática en la antigua mecánica, encontró inmediatamente su interpretación en la nueva: la geodésica relativista que Mercurio describe entorno de la masa solar, en el espaciotiempo, lleva a la órbita real del planeta, junto con su movimiento del perihelio.
Según la relatividad general, el perihelio de Mercurio igual tendría el avance calculado aunque no existieran los otros planetas, sólo por el hecho de que la órbita del planeta tiene lugar en un espaciotiempo curvo para el cual la ley de Newton no tiene una perfecta respuesta, ya que Mercurio orbita muy cerca del Sol. El acuerdo entre el cálculo de Einstein (42,9") y la observación ofreció el primer índice de la exactitud física de la teoría general. Pero además, y aplicando la misma formulación einstiana, se pudieron explicar otras discrepancias menores que también se habían detectado, como ser para Venus (8.6”) y la Tierra (3.9”). En 1949 se descubrió el asteroide Icarus, que tiene una órbita extremadamente excéntrica y, en consecuencia, muy sensible a este efecto (10”), el cual fue calculado y contrastado experimentalmente con rigurosa precisión.
El 2 de julio de 1974, fue descubierto el pulsar binario PSR 1913 + 16 en la constelación El Águila, por el estudiante de doctorado Russell Hulse de la Universidad de Massachussets con el radiotelescopio gigante de Arecibo, en Puerto Rico. Se trata de un par de estrellas de neutrones de unos 20 Km. de diámetro cada una, que orbitan a una muy pequeña distancia una alrededor de la otra (2.3” al). Lo interesante de este sistema, es que pone a una rigurosa prueba a la relatividad general; en particular, el extraordinario avance del perihelio de las órbitas que llega a 4.2° por año. Cantidad, que está en perfecta concordancia con la teoría.
Sin embargo, un éxito mucho más resonante que el alcanzado por la aclaración de los antiguos enigmas perihélicos lo logró la teoría, por la espléndida confirmación de su previsión de un fenómeno nuevo, ignorado por la ciencia clásica: la deflexión de los rayos luminosos, debido a los efectos generados por la gravitación. Al pasar tangencialmente al borde del Sol, el rayo de luz
de una estrella –exigía la teoría– se desviaría, y la desviación debía manifestarse por un aparente desplazamiento de la estrella. La observación fotográfica de las estrellas en torno del Sol, durante un eclipse total, debía permitir la comprobación del corrimiento de sus posiciones. Tal era la más espectacular predicción de la teoría general, y cuyo interés estaba realzado por el criterio que implicaba para la elección entre las leyes clásica y la relativista de la gravitación. La desviación del rayo en el espaciotiempo einstiano (1,75” de arco ) era el doble de aquella que un corpúsculo dotado con velocidad c, en una trayectoria cercana a los bordes del Sol, sufriría, en el espacio newtoniano.
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El eclipse total del 29 de mayo de 1919, visible sólo en el hemisferio
sur, brindó la primera oportunidad para someter la reveladora previsión a una prueba crucial. Dos expediciones inglesas se encargaron de efectuar la observación: una, dirigida por Sir Arthur Eddintong, se instaló en la Isla del Príncipe (Golfo de Guinea); la otra, bajo la dirección de Andrew Crommelin, eligió Sobral, en el Brasil, como lugar de observación. Las nubes y una tempestad de lluvias dificultaron la tarea de ambos grupos de astrónomos; sin embargo, durante una breve calma del tiempo atmosférico lograron 16 fotografías de algunas estrellas, en las cercanías del Sol oscurecido. El examen micrométrico de las placas reveló que las posiciones estelares estaban, en efecto, desplazadas en satisfactorio acuerdo con la previsión de Einstein (Isla del Príncipe: l,60"; Sobral: l,98").
Esas fotografías cambiaron la opinión que se tenía del espacio y del tiempo. Revelaban que un grupo de estrellas se encontraban en una posición incorrecta.
| Trayectoria del eclipse de 1919 en el territorio brasileño, según el estudio elaborado por Henrique Morize. Las tres lineas paralelas que cruzan el país de izquierda a derecha indican el centro del trayecto y los límites del área donde el eclipse fue total. La observación se produjo en Sobral, Ceará (a la derecha, en el final de la trayectoria)
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Eddingtom, al regresar a Inglaterra, exaltado dijo «una cosa es cierta y el resto es debate, los rayos de luz, cuando transitan cerca del Sol, no lo hacen recto». Justo como Albert Einstein lo había predicho, la gravitación del Sol había curvado sutilmente la malla del espacio y del tiempo. Los haces de luces en su trayectoria cerca del Sol se curvan, haciendo parecer las posiciones de las estrellas, que se hallan cerca del borde del Sol, como incorrectas. Las fotos de Eddington probaron que la extraña teoría de Einstein sobre la malla del espacio y del tiempo era más que una mera fantasía. Era una dura realidad. El Sol, este «ministro maggior della Natura», como lo llamara Dante, se había decidido a favor de Einstein.
Observaciones posteriores no hicieron sino corroborar los resultados encontrados por sus predecesores. La teoría general acababa de triunfar, en la más difícil de sus pruebas. No era exagerado pretender que las más célebres predicciones científicas del siglo XIX,como el descubrimiento de Neptuno por los cálculos de LeVerrier, o la inclusión por Mendelejeff de elementos aún desconocidos, en su clasificación periódica, fueran alcanzadas, o aun superadas en importancia, mediante la genial previsión, por Einstein, de un fenómeno insospechado.
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Otro de los fenómenos interesantes relacionados con la deflexión de la luz es el de los «lentes gravitatorios». Ellos se dan cuando la luz procedente de un astro muy lejano, lo suficientemente brillante, por ejemplo, un quasar, pasa por las cercanías de un objeto másicamente significativo que se encuentre justo en la línea de visión desde la Tierra (figura de la izquierda). Entonces la luz puede curvarse y llegar hasta la Tierra pasando por ambos lados del masivo objeto, el cual actúa como un lente, de modo que se obtienen dos imágenes del lejano y brillante astro. También, a veces, el fenómeno se presenta como arcos e incluso anillos. Tras el peso de contundentes pruebas, ¿podría ponerse en duda la curvatura real del espacio, provocada por astros de gran envergadura másica y la magnifica masa del Sol, y señalada por la trayectoria curva de los rayos lumínicos?
Han pasado más de 85 años desde Einstein presentara, en la teoría general, la predicción sobre la deflexión de la luz, y más de ochenta desde que se comprobara por primera vez; sin embargo, la extraña malla que compone la estructura de nuestro universo sigue llamando la atención de la gente de ciencia y de iconoclastas. Científicos han estado ideando y realizando nuevas pruebas con las tentativas de disparar encima de la descripción de Einstein de la naturaleza del espacio y del tiempo y, hasta ahora, todas han confirmado el extraño cuadro. La malla del espaciotiempo es verdadera, y los científicos pueden verla ondularse y torcerse. Esas ondulaciones contienen los secretos del nacimiento y de la naturaleza del universo.
Pero los experimentos brindaron otra prueba a favor de la relatividad. Los relojes marchan –sostiene la teoría general– más lentamente cuando se encuentran sometidos a un fuerte campo gravitacional que a uno débil. La espectroscopía ha sido uno de los medios que ha permitido verificar esta predicción.
Se sabe que las vibraciones electrónicas en el átomo poseen ritmos característicos, que hacen de cada átomo un ideal cronómetro microscópico. El atraso que sufren esas vibraciones, sometidas a un campo gravitatorio, espectroscópicamente se traduce en una disminución de la frecuencia de onda de las características rayas. En consecuencia, las rayas espectrales de un átomo ubicado en el Sol, comparadas con las del mismo átomo pero alojado en la Tierra, estarán desplazadas, de acuerdo al efecto predicho por Einstein, hacia el extremo rojo del espectro.
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El efecto que se da de este fenómeno en el campo gravitatorio del Sol es muy pequeño, no más de 0,001  para el centro del espectro, no obstante se ha logrado establecer, a través de un número importante de experimentos, el corrimiento einstiano, siendo el primero el que realizaron, a pesar de las dificultades experimentales, Alfred Perot y St. Johns. Otro muy conocido de esos experimentos, es el que realizaron W.S. Adams, G.P. Kuiper, J.H. Moore, R.J. Trumpler, y otros, los cuales analizaron espectros de estrellas muy masivas, las llamadas enanas blancas –como la compañera de Sirio– cuyas densidades sobrepasan con crece a la del Sol, y que aportó notables verificaciones a las previsiones de la teoría.
También en el campo gravitatorio terrestre se ha logrado comprobar este «efecto Einstein». La primera demostración fue realizada por los físicos norteamericanos Robert Y. Pound y Glen A. Rebka, en 1960. Lanzando rayos gamma de una fuente radiactiva desde abajo hacia arriba, en una torre de 20 m. de altura, hallaron evidencias duras de este fenómeno del corrimiento einstiano de las rayas hacia el rojo [ ¹ ]. Las sondas planetarias norteamericanas mariner 6 y 7 que, en 1970, llegaron cerca del la superficie del Sol, también sumaron a las antiguas nuevas pruebas verificadoras de la predicción sobre el atraso de los relojes formulada en la teoría de la relatividad general. Las ondas hertzianas, remitidas desde California y reflejadas hacia la estación emisora, receptaron un atraso de más de 200 microsegundos, atribuibles a la fuerte curvatura del espacio generada en los alrededores del Sol.
La teoría de la relatividad general ha sido confirmada por una gran variedad de experimentos. Aquí, sólo hemos señalado lo que, a nuestro juicio, nos parecen los más relevantes. Pero dado lo que hemos expuesto en el transcurso de este trabajo, no podemos dejar de mencionar de que esta teoría es una de las más osada y hermosa aventura que el pensamiento científico ha emprendido en el transcurso de su historia. Aplicada al universo en su conjunto, ella conduce a la imagen de un cosmos finito y, a su vez, ilimitado.
[1] Agreguemos que esta constatación del efecto Einstein, una de las más exactas, se debe a una bella aplicación del efecto Mössbauer. El físico alemán
Rudolf L. Mossbauer, profesor de física del California Institute of Technology, y premio Nobel de 1961, demostró en 1958, que la emisión de rayos gamma por núcleos atómicos, a través de cristales a muy baja temperatura, se produce sin retrocesión de los núcleos. Las rayas espectroscópicas que se originan debido a este fenómeno son las que permiten la observación del corrimiento.
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