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