El eclipse que puso a prueba a Einstein y permitió comprobar que la gravedad desvía la luz

Un eclipse total de Sol ocurrido el 29 de mayo de 1919 permitió realizar uno de los experimentos más conocidos relacionados con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein: comprobar si la gravedad del Sol podía desviar la luz procedente de estrellas lejanas.

De acuerdo con Manel Perucho Pla, astrofísico de la Universitat de València, en un artículo publicado por The Conversation, dos expediciones viajaron a la isla de Príncipe, frente a la costa occidental de África, y a Sobral, en el norte de Brasil, para fotografiar estrellas situadas aparentemente cerca del Sol durante el eclipse.

Einstein había publicado la teoría de la relatividad general en 1915. Según explica Perucho Pla, esta propuesta interpretaba geométricamente la gravedad: la masa y la energía curvan el espacio-tiempo y esa curvatura afecta al movimiento de las partículas y también a la trayectoria de la luz.

El experimento tenía una ventaja particular. Al cubrir la Luna el disco solar, los astrónomos podían observar estrellas que normalmente quedarían ocultas por el intenso brillo del Sol y comparar su posición aparente con la registrada en otras condiciones.

¿Qué quería demostrar el experimento?

La pregunta central era si la luz cambiaba de trayectoria al pasar cerca de un objeto con una gran masa como el Sol.

Perucho Pla explica en The Conversation que el científico Johann Georg von Soldner había calculado en 1801, con base en la teoría de Newton, una desviación de 0.87 segundos de arco para un rayo de luz que pasara cerca de la superficie solar.

Einstein realizó posteriormente el cálculo utilizando la relatividad general y obtuvo una desviación de 1.74 segundos de arco, aproximadamente el doble.

Esto dejaba tres posibilidades para la observación de 1919: que las estrellas no mostraran ningún desplazamiento aparente, que el resultado coincidiera con la predicción newtoniana o que se aproximara al valor previsto por la relatividad general.

El eclipse resultaba especialmente útil porque detrás del Sol se encontraba el cúmulo de las Híades, cuyas estrellas podían utilizarse para realizar las mediciones.

Dos expediciones buscaron la respuesta

A Sobral viajaron Charles Davidson y Andrew Crommelin, astrónomos del Observatorio Real de Greenwich. A Príncipe fueron Arthur S. Eddington y Edwin T. Cottingham.

Según relata Manel Perucho Pla, las expediciones habían salido en febrero de 1919 con el equipo necesario para las observaciones. Entre los instrumentos había lentes instaladas en tubos y espejos conocidos como celóstatos, capaces de compensar el movimiento de rotación de la Tierra para mantener estable el campo de visión.

Sin ese sistema, el movimiento aparente de las estrellas habría producido trazos sobre las placas fotográficas y dificultado la medición de sus posiciones.

El clima y los instrumentos complicaron el experimento

Las condiciones estuvieron lejos de ser ideales.

En Príncipe, Eddington y Cottingham tuvieron mal tiempo y solo consiguieron algunas imágenes utilizables hacia el final del eclipse.

En Sobral, Davidson y Crommelin enfrentaron problemas con uno de sus instrumentos. Las fotografías tomadas con la lente más grande resultaron borrosas, posiblemente por los efectos del calor sobre el equipo, según el relato publicado por The Conversation.

Sin embargo, un segundo instrumento, equipado con una lente más pequeña, produjo imágenes de mejor calidad y terminó siendo fundamental para el análisis.

Los datos aprovechables fueron estudiados posteriormente en Cambridge y Greenwich.

¿Qué resultados obtuvieron?

El análisis citado por Perucho Pla arrojó una desviación de 1.61 ± 0.40 segundos de arco en Príncipe y de 1.98 ± 0.18 segundos de arco en Sobral.

Los valores eran compatibles con la predicción de la relatividad general y favorecían la explicación de Einstein frente al cálculo newtoniano utilizado como comparación.

El resultado contribuyó a convertir a Einstein en una figura mundialmente conocida y pasó a ocupar un lugar central en la historia de la física del siglo XX.

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¿Hubo dudas sobre las mediciones?

Décadas después surgieron críticas sobre la forma en que habían sido seleccionadas las placas fotográficas utilizadas para calcular la desviación de la luz.

Algunos cuestionamientos señalaron que Eddington y Dyson podrían haber descartado imágenes que no favorecían el resultado esperado.

Sin embargo, Perucho Pla señala en The Conversation que revisiones posteriores del procedimiento, de los datos y de la documentación dejada por los investigadores concluyeron que las mediciones fueron tratadas con criterios científicos y que no hubo una manipulación deshonesta de los resultados.

Mediciones realizadas posteriormente también confirmaron que la desviación de la luz cerca de grandes masas coincide con la predicción de la relatividad general.

¿Qué tienen que ver las matemáticas con un eclipse?

La posibilidad de utilizar un eclipse para realizar este tipo de experimentos depende, a su vez, de la precisión con la que puede predecirse el movimiento del Sol, la Tierra y la Luna.

Pedro José Miana Sanz, catedrático de Matemáticas de la Universidad de Zaragoza, explica en otro artículo publicado por The Conversation que la predicción de los eclipses combina trigonometría, geometría y mecánica celeste.

Para que ocurra un eclipse solar, la Luna debe situarse entre la Tierra y el Sol durante la fase de luna nueva. Además, debe encontrarse cerca de uno de los nodos donde su órbita cruza el plano de la órbita terrestre.

Miana Sanz señala que la órbita lunar está inclinada aproximadamente 5 grados respecto al plano de la eclíptica. Esa inclinación explica por qué no ocurre un eclipse cada mes.

Las matemáticas permiten calcular con precisión cuándo comenzará un eclipse, por dónde pasará la sombra de la Luna, dónde se producirá la totalidad y a qué hora podrá observarse desde cada región.

El autor también explica que la sombra lunar puede desplazarse a una velocidad media cercana a 2 mil kilómetros por hora y que algunos eclipses duran apenas segundos, mientras los más largos pueden superar los siete minutos.

Así, el eclipse de 1919 reunió dos elementos decisivos: la capacidad matemática de anticipar con precisión la alineación de los astros y la oportunidad de utilizar esa breve oscuridad para poner a prueba una predicción fundamental de Einstein.