El astrónomo Rafael Bachiller nos descubre en esta serie las efemérides que llevaron a la ONU a declarar al 2015 'Año Internacional de la Luz'. Recorremos así mil años de investigación sobre uno de los fenómenos más fascinantes de la naturaleza.

Se cumplen ahora cien años del enunciado de la Teoría de la Relatividad General en la que Einstein nos reveló una imagen revolucionaria del Universo. De acuerdo con Einstein, en el espacio-tiempo la luz debía moverse describiendo trayectorias curvas según es desviada por la presencia de cuerpos materiales, una predicción que se comprobó de manera espectacular durante un eclipse y que marcó un hito crucial en el estudio de la luz.

La Física ¿una ciencia terminada?

A finales del siglo XIX el éxito de la Física era tan grande que ésta parecía una ciencia terminada. A la teoría de la gravitación universal de Newton se había sumado la mecánica racional desarrollada por Lagrange y Hamilton y las concisas ecuaciones elaboradas por Maxwell para unificar el electromagnetismo. Toda la Física parecía perfectamente expresada en términos matemáticos y era sumamente fiable en sus predicciones. Tan sólo quedaban unas pequeñas fisuras en este gran edificio y parecía entonces increíble que, por estas imperfecciones, la construcción llegase a tambalearse desde sus mismos cimientos.

El extravagante comportamiento de la luz

Una de estas fisuras era el terco comportamiento de la velocidad de la luz. Utilizando las ecuaciones de Maxwell, que describimos en el capítulo anterior de esta serie, Lorentz había deducido que una carga en movimiento debe radiar energía en forma de ondas y la propagación de esas ondas requería un medio material para su sustentación: el 'éter', un tenue fluido indetectable que debía llenar todo el espacio en reposo absoluto. En 1880, Michelson y Morley, en Ohio, habían realizado un ingenioso experimento de interferometría para medir la velocidad de la luz respecto del éter y respecto de la Tierra en movimiento. Los resultados fueron sorprendentes: la existencia del éter fue puesta en entredicho y la luz se movía a la misma velocidad respecto de estos dos sistemas de referencia.

Si observamos desde el andén a una persona que va corriendo dentro del vagón de un tren, mediremos que ésta suma su velocidad a la del tren. Pero la velocidad de la luz no se suma con otras velocidades de esa manera, sino que siempre tiene el mismo valor, sin importar la velocidad del cuerpo que la emite. Además, todos los observadores, independientemente de su estado de movimiento, siempre miden el mismo valor de 300.000 km/s en el vacío, un valor que aparecía como una barrera infranqueable. Naturalmente este comportamiento extravagante de la luz no encontraba acomodo en la Física clásica.

El astrónomo Rafael Bachiller nos descubre en esta serie las efemérides que llevaron a la ONU a declarar al 2015 'Año Internacional de la Luz'. Recorremos así mil años de investigación sobre uno de los fenómenos más fascinantes de la naturaleza.

Se cumplen ahora cien años del enunciado de la Teoría de la Relatividad General en la que Einstein nos reveló una imagen revolucionaria del Universo. De acuerdo con Einstein, en el espacio-tiempo la luz debía moverse describiendo trayectorias curvas según es desviada por la presencia de cuerpos materiales, una predicción que se comprobó de manera espectacular durante un eclipse y que marcó un hito crucial en el estudio de la luz.

La Física ¿una ciencia terminada?

A finales del siglo XIX el éxito de la Física era tan grande que ésta parecía una ciencia terminada. A la teoría de la gravitación universal de Newton se había sumado la mecánica racional desarrollada por Lagrange y Hamilton y las concisas ecuaciones elaboradas por Maxwell para unificar el electromagnetismo. Toda la Física parecía perfectamente expresada en términos matemáticos y era sumamente fiable en sus predicciones. Tan sólo quedaban unas pequeñas fisuras en este gran edificio y parecía entonces increíble que, por estas imperfecciones, la construcción llegase a tambalearse desde sus mismos cimientos.

El extravagante comportamiento de la luz

Una de estas fisuras era el terco comportamiento de la velocidad de la luz. Utilizando las ecuaciones de Maxwell, que describimos en el capítulo anterior de esta serie, Lorentz había deducido que una carga en movimiento debe radiar energía en forma de ondas y la propagación de esas ondas requería un medio material para su sustentación: el 'éter', un tenue fluido indetectable que debía llenar todo el espacio en reposo absoluto. En 1880, Michelson y Morley, en Ohio, habían realizado un ingenioso experimento de interferometría para medir la velocidad de la luz respecto del éter y respecto de la Tierra en movimiento. Los resultados fueron sorprendentes: la existencia del éter fue puesta en entredicho y la luz se movía a la misma velocidad respecto de estos dos sistemas de referencia.

Si observamos desde el andén a una persona que va corriendo dentro del vagón de un tren, mediremos que ésta suma su velocidad a la del tren. Pero la velocidad de la luz no se suma con otras velocidades de esa manera, sino que siempre tiene el mismo valor, sin importar la velocidad del cuerpo que la emite. Además, todos los observadores, independientemente de su estado de movimiento, siempre miden el mismo valor de 300.000 km/s en el vacío, un valor que aparecía como una barrera infranqueable. Naturalmente este comportamiento extravagante de la luz no encontraba acomodo en la Física clásica.

En 1913 se estableció en Berlín y allí permanecería durante casi dos décadas. Se divorció de Mileva, en 1919, para casarse poco después con su prima Elsa. La teoría de la Relatividad General la publicó en Berlín en 1915, en un artículo de cuatro páginas, durante una crisis matrimonial y sufriendo severos dolores de estómago. Durante estos años en Berlín Einstein alcanzó gran popularidad y sus teorías se debatían incluso en los periódicos. Pero el ascenso del nazismo obligó a Einstein a dejar Alemania en 1932. Establecido en Estados Unidos, continuó enfrentándose enérgicamente a Hitler y fue profesor del Instituto de Estudios Superiores de Princeton (Nueva Jersey). Se retiró de la vida pública 1945, y murió en el propio Princeton en 1955.

El eclipse del éxito

En la teoría que Einstein enunció en 1915 sobre la Relatividad General, la materia, el espacio y el tiempo son tres elementos íntimamente interconectados entre sí y la gravedad puede ser interpretada como una curvatura del espacio. En el espacio-tiempo la luz debía moverse describiendo trayectorias curvas según es desviada por la presencia de cuerpos materiales. Pero ¿cómo comprobar experimentalmente esta predicción?

El astrónomo británico Sir Arthur Eddington propuso que la primera ocasión para medir la curvatura de la luz la brindaría el eclipse total de Sol del 29 de marzo de 1919. Durante un eclipse solar es posible observar estrellas brillantes en el entorno del astro rey. Si el Sol es capaz de desviar la trayectoria de los rayos de luz, algunas de estas estrellas brillantes (cerca del Sol eclipsado) deberían verse en posiciones aparentes diferentes respecto de sus posiciones habituales (medidas cuando el Sol se encuentre en una posición distante del firmamento). La Royal Society organizó dos expediciones a la zona de totalidad del eclipse, una al norte de Brasil y otra a la Isla del Príncipe (en el golfo de Guinea), para medir las posiciones estelares en la vecindad solar. Eddington comprobó así, de manera espectacular y ante una gran expectación a nivel mundial, que las pequeñísimas desviaciones de los rayos de luz predichas por la Relatividad (de tan sólo una diezmillonésima de grado) eran absolutamente reales.

Gracias a la Teoría de la Relatividad General de Einstein, el Universo pasa a contemplarse como un Todo mediante una serie de ecuaciones que describen la interconexión del espacio, el tiempo y la materia. Esta descripción integral del Universo resultaría tener una influencia decisiva en todas las teorías de la cosmología moderna que intentan explicar el origen y evolución del Universo tratándolo como un ente único y completo.

Pero ¡atención! la Relatividad General no solo trata de elucubraciones teóricas, sino que, como en muchos otros casos, es un resultado de la ciencia básica que encuentra grandes aplicaciones tecnológicas que nos simplifican la vida. Por ejemplo, gracias a la Relatividad General funciona una tecnología que hoy nos parece banal: el GPS. En efecto, al estar sometido el satélite a una fuerza gravitacional menor que la que actúa en la superficie de la Tierra, el tiempo transcurre más rápidamente en el satélite GPS que en el receptor en tierra. Este efecto se suma a otro predicho por la Relatividad Especial: la dilatación del tiempo ocasionado por la alta velocidad del satélite. Y ambos efectos, cuando se tienen en cuenta, hacen posible que el sistema GPS funcione.

También interesante

Albert Einstein es uno de los mayores genios de todos los tiempos. Similar en envergadura al del gran Newton, el legado de Einstein se extiende por muy diferentes campos de la Física. Tan sólo en un año (1905, su "Annus Mirabilis") Einstein revolucionó la Física con tres aportaciones fundamentales: (1) la Teoría de la Relatividad Restringida, (2) la explicación del movimiento browniano (lo que confirmó la teoría atómica y permitió una primera estimación del tamaño del átomo) y (3) la explicación del efecto fotoeléctrico que confirmó la teoría cuántica formulada por el alemán Max Planck en 1901.

Einstein recibió el Premio Nobel en 1921 por su interpretación del efecto fotoeléctrico que confirmó la teoría cuántica de Planck. Paradójicamente, el propio Einstein pasaría su vida expresando dudas sobre la validez de la mecánica cuántica, una postura que le llevaría a pronunciar su famosa frase "Dios no juega a los dados".

Se cuentan infinidad de anécdotas de Einstein. Hay una muy ilustrativa sobre la dificultad de divulgar la ciencia. Un día un cándido periodista le pregunta. "Sr. Einstein ¿me puede explicar la Teoría de la Relatividad?", y Einstein le responde "¿Me puede Vd. explicar cómo se fríe un huevo?". El periodista no duda en responder "Sí claro, sí que puedo". A lo que Einstein replica: "Bueno pues adelante, explíquemelo, pero imaginando que yo no sé lo que es un huevo, ni una sartén, ni el aceite, ni el fuego..."

Rafael Bachiller es director del Observatorio Astronómico Nacional (Instituto Geográfico Nacional) y académico de la Real Academia de Doctores de España.

El Mundo