CONFIRMACIÓN EXPERIMENTAL DEL DESPLAZAMIENTO HACIA EL ROJO Y DE LA DILATACIÓN TEMPORAL


 

 

Los primeros intentos de verificar experimentalmente la desviación gravitatoria hacia el rojo se hicieron con la luz emitida por el Sol. Como nuestro astro tiene una masa notablemente mayor que la de Tierra, la radiación solar se ha de recibir en nuestro planeta con una frecuencia más baja (aproximadamente en una unidad de cada medio millón). Verificar este hecho no resultó sencillo debido a que el efecto se superpone a otros fenómenos similares de mucha mayor intensidad, como son la desviación también hacia el rojo causada por efecto Doppler asociado a la rotación del Sol y al movimiento de traslación de la Tierra, efectos causados por la turbulencia de la superficie solar y efectos debidos al propio movimiento térmico de átomos emisores, correspondiente a una temperatura aproximada de 3.000 K. A pesar de todo esto, esta predicción acerca del desplazamiento hacia el rojo de origen gravitatorio para átomos radiantes se ha podido verificar con buena fiabilidad.

 

Como ejemplo de observaciones sobre la luz solar realizadas con este propósito, se puede empezar citando un trabajo de Brault (1932-2008) que en el año 1963 midió el desplazamiento de la raya espectral D1 del sodio y obtuvo un desplazamiento hacia el rojo cercano al teórico.

 

Otro experimento muy destacado sobre este fenómeno fue realizado por el investigador estadounidense Pound, junto con sus alumnos Rebka (1931-2015) en 1960 y Snider en 1965. Detectaron un desplazamiento hacia el rojo muy pequeño (aproximadamente de 2,45 partes en 105) entre la cima y la base de una torre de 22,6 metros de altura de la Universidad de Harvard, desplazamiento que coincidía en un 99,9% con la predicción teórica. Para ello diseñaron un ingenioso experimento que, básicamente, consistió en hacer que un rayo γ emitido por una fuente de cobalto, 57Co, recorriera esa altura, y luego fuera absorbido por un blanco de hierro, 57Fe.

Se considera que este experimento introdujo una era de pruebas de precisión de la relatividad general.

Pound R.V., Snider J. L. (1965) Effect of Gravity on Gamma Radiation. Physical Review, 140 (3B), B788-B803.

 

 
Además de estos experimentos, se han realizado otros destinados a medir directamente la dilatación temporal correspondiente. Probablemente el más famoso de ellos es el experimento de Hafele y Keating. Como se explica en el tema dedicado a la relatividad especial, en este experimento se comparó el tiempo medido por dos relojes atómicos de cesio, que dieron la vuelta al mundo en dos aviones comerciales (uno en dirección hacia el Este y el otro hacia el Oeste) con el tiempo marcado por un tercer reloj que permaneció en Tierra.
 

 

 

Los resultados del experimento se analizaron teniendo en cuenta la dilatación temporal de origen cinemático, que predice la relatividad especial y también la dilatación temporal de origen gravitatorio, que predice la relatividad general. Los resultados se resumen en la tabla adjunta.

 

El mundo actual de las telecomunicaciones tiene muy en cuenta estos efectos relativistas en la medida del tiempo. Por ejemplo, el Global Positioning System o GPS es un sistema de posicionamiento espacial que, a través de radio-señales emitidas por satélites, permite obtener información sobre la posición, la velocidad y la medida del tiempo a un receptor que se encuentre sobre o cerca de la superficie terrestre. A bordo de cada satélite hay relojes de alta precisión que son osciladores atómicos de cesio y de rubidio. Desde la Tierra se puede calcular, utilizando otro reloj atómico, cuánto tiempo ha estado viajando la señal, por lo que se puede saber la distancia a la que se encuentra el satélite. Finalmente, la recepción de varias señales procedentes de otros satélites permite determinar mediante cálculos geométricos la posición del receptor.

 

Los satélites están situados a unos 20.000 km del receptor y, por tanto, están sometidos a un campo gravitatorio mucho menor. A su vez, están en movimiento respecto del reloj instalado en el receptor. Como consecuencia de todo ello, los relojes de los satélites se adelantan unos 40.000 nanosegundos cada día y, para conseguir una precisión en la posición de pocos metros en la superficie terrestre, se requiere una precisión en el tiempo de unos 10 nanosegundos. Por ello, las correcciones que introduce en estos cálculos la relatividad son imprescindibles.

A la derecha se muestra una representación visual en movimiento de la constelación de satélites GPS en conjunción con la rotación de la Tierra (fuente Wikipedia). En esta ilustración a 45º N, se puede ver cómo el número de satélites visibles desde un determinado punto de la superficie de la Tierra va cambiando con el tiempo.

 

 

 

Para terminar este apartado, diremos que la dilatación temporal de origen gravitatorio también ha inspirado al cine de ciencia ficción. Un buen ejemplo de ello fue la película Interstellar, en la que el director Christopher Nolan fue asesorado científicamente por Kip Thorne (1940-  ) uno de los mayores expertos mundiales en las aplicaciones a la astrofísica de la Teoría de la Relatividad General.

Los espectadores recordarán que en esta película hay un escena en la que el protagonista baja a un planeta sometido a una fuerte gravedad por encontrarse cerca de un agujero negro rotativo. Cuando regresa a la nave nodriza  para él ha transcurrido algo más de una hora, pero se encuentra a un compañero para el que han pasado 23 años.