El experimento de Eddington fue una prueba observacional de la relatividad general , organizada por los astrónomos británicos Frank Watson Dyson y Arthur Stanley Eddington en 1919. Las observaciones fueron del eclipse solar total del 29 de mayo de 1919 y fueron llevadas a cabo por dos expediciones, una a la isla de Príncipe , en África occidental , y la otra a la ciudad brasileña de Sobral . El objetivo de las expediciones era medir la desviación gravitacional de la luz de las estrellas que pasaba cerca del Sol. [1] El valor de esta desviación había sido predicho por Albert Einstein en un artículo de 1911; sin embargo, esta predicción inicial resultó no ser correcta porque se basaba en una teoría incompleta de la relatividad general. Einstein mejoró más tarde su predicción después de finalizar su teoría en 1915 y obtener la solución a sus ecuaciones por Karl Schwarzschild . Tras el regreso de las expediciones, los resultados fueron presentados por Eddington a la Royal Society de Londres [2] y, después de algunas deliberaciones, fueron aceptados. La amplia cobertura periodística de los resultados condujo a la fama mundial de Einstein y sus teorías.
Una de las primeras consideraciones sobre la desviación gravitacional de la luz se publicó en 1801, cuando Johann Georg von Soldner señaló que la gravedad newtoniana predice que la luz de las estrellas se desviará cuando pase cerca de un objeto masivo. Inicialmente, en un artículo publicado en 1911, Einstein había calculado incorrectamente que la cantidad de desviación de la luz era la misma que el valor newtoniano, es decir, 0,83 segundos de arco para una estrella que estaría justo en el borde del Sol en ausencia de gravedad.
En octubre de 1911, respondiendo al estímulo de Einstein, el astrónomo alemán Erwin Freundlich se puso en contacto con el experto en eclipses solares Charles D. Perrine en Berlín para preguntarle sobre la idoneidad de las fotografías de eclipses solares existentes para probar la predicción de Einstein sobre la desviación de la luz. Perrine, director del Observatorio Nacional Argentino en Córdoba, había participado en cuatro expediciones de eclipses solares mientras estuvo en el Observatorio Lick en 1900, 1901, 1905 y 1908. No creía que las fotos de eclipses existentes fueran útiles. En 1912, Freundlich preguntó si Perrine incluiría la observación de la desviación de la luz como parte del programa del Observatorio Argentino para el eclipse solar del 10 de octubre de 1912 en Brasil. WW Campbell , director del Observatorio Lick , prestó a Perrine sus lentes de cámara intramercurial. Perrine y el equipo de Córdoba fueron la única expedición de eclipse que construyó un equipo especializado dedicado a observar la desviación de la luz. Desafortunadamente, todas las expediciones sufrieron lluvias torrenciales que impidieron cualquier observación. Sin embargo, Perrine fue el primer astrónomo que hizo un intento específico de observar la desviación de la luz para comprobar la predicción de Einstein. [3] Eddington había participado en una expedición británica a Brasil para observar el eclipse de 1912, pero estaba interesado en otras mediciones. [3] Eddington y Perrine pasaron varios días juntos en Brasil y es posible que hayan discutido sus programas de observación, incluida la predicción de Einstein sobre la desviación de la luz. [4]
En 1914, tres expediciones de observación del eclipse, desde Argentina, Alemania y los Estados Unidos, se comprometieron a probar la teoría de Einstein observando la desviación de la luz. Los tres directores fueron Erwin Finlay-Freundlich , del Observatorio de Berlín , el astrónomo estadounidense William Wallace Campbell , director del Observatorio Lick , y Charles D. Perrine , director del Observatorio Nacional Argentino en Córdoba. Las tres expediciones viajaron a Crimea en el Imperio ruso para observar el eclipse del 21 de agosto. Sin embargo, la Primera Guerra Mundial comenzó en julio de ese año y Alemania declaró la guerra a Rusia el 1 de agosto. Los astrónomos alemanes se vieron obligados a regresar a casa o fueron hechos prisioneros por los rusos. Aunque los astrónomos estadounidenses y argentinos no fueron detenidos, las nubes impidieron que se hicieran observaciones claras durante el eclipse. Las fotografías de Perrine, aunque no eran lo suficientemente claras como para probar la predicción de Einstein, fueron las primeras obtenidas en un intento de probar la predicción de Einstein sobre la desviación de la luz. [3] [5] [6]
Un segundo intento de astrónomos estadounidenses de medir el efecto durante el eclipse de 1918 se vio frustrado por las nubes en un lugar [7] y por resultados ambiguos debido a la falta del equipo correcto en otro. [1] [8]
El artículo de Einstein de 1911 predijo que la desviación de la luz de las estrellas en el limbo solar sería de 0,83 segundos de arco y animó a los astrónomos a comprobar esta predicción observando las estrellas cercanas al Sol durante un eclipse solar. [9] Afortunadamente para Einstein, el tiempo impidió que se publicaran los resultados de Perrine en 1912 y de Perrine, Freundlich y Campbell en 1914. Si se hubieran obtenido resultados, podrían haber refutado la predicción de 1911, lo que habría perjudicado la reputación de Einstein. En cualquier caso, Einstein corrigió su predicción en su artículo de 1915 sobre la relatividad general a 1,75 segundos de arco para una estrella en el limbo. Tanto Einstein como los astrónomos posteriores se beneficiaron de esta corrección. [10]
El interés de Eddington por la relatividad general comenzó en 1916, durante la Primera Guerra Mundial , cuando leyó los artículos de Einstein (presentados en Berlín, Alemania, en 1915), que habían sido enviados por el físico holandés neutral Willem de Sitter a la Royal Astronomical Society en Gran Bretaña. Eddington, que más tarde se dijo que era una de las pocas personas en ese momento que entendía la teoría, se dio cuenta de su importancia y dio una conferencia sobre la relatividad en una reunión en la Asociación Británica en 1916. Enfatizó la importancia de probar la teoría mediante métodos como las observaciones de eclipses de la desviación de la luz, y el astrónomo real, Frank Watson Dyson, comenzó a hacer planes para el eclipse de mayo de 1919, que sería particularmente adecuado para tal prueba. Eddington también produjo un importante informe sobre la relatividad general para la Physical Society , publicado como Informe sobre la teoría de la relatividad de la gravitación (1918). Eddington también dio conferencias sobre relatividad en la Universidad de Cambridge, donde había sido profesor de astronomía desde 1913. [a]
El servicio militar obligatorio en Gran Bretaña se introdujo en 1917. A los 34 años, Eddington era elegible para ser reclutado en el ejército, pero su universidad obtuvo su exención por razones de interés nacional. Esta exención fue apelada más tarde por el Ministerio de Guerra, y en una serie de audiencias en junio y julio de 1918, Eddington, que era cuáquero , declaró que era un objetor de conciencia , basándose en motivos religiosos. [12] En la audiencia final, el astrónomo real, Frank Watson Dyson , apoyó la exención proponiendo que Eddington emprendiera una expedición para observar el eclipse total en mayo del año siguiente para probar la teoría general de la relatividad de Einstein. La junta de apelación concedió una extensión de doce meses para que Eddington lo hiciera. Aunque esta extensión quedó sin efecto tras la firma del armisticio en noviembre, que puso fin a la guerra, la expedición siguió adelante según lo planeado.
La teoría detrás del experimento se refiere a la desviación prevista de la luz por parte del Sol. La primera observación de la desviación de la luz se realizó notando el cambio en la posición de las estrellas a medida que pasaban cerca del Sol en la esfera celeste . La desviación angular aproximada δ φ para una partícula sin masa que viene desde el infinito y regresa al infinito se da por la siguiente fórmula: [b]
Aquí, b puede interpretarse como la distancia de aproximación más cercana. Aunque esta fórmula es aproximada, es precisa para la mayoría de las mediciones de lente gravitacional , debido a la pequeñez de la relación r s /b . Para la luz que roza la superficie del Sol, la desviación angular aproximada es de aproximadamente 1,75 segundos de arco . [2] Este es el doble del valor predicho por los cálculos que utilizan la teoría de la gravedad de Newton. Fue esta diferencia en la desviación entre las dos teorías lo que la expedición de Eddington y otros observadores de eclipses posteriores intentarían observar.
El objetivo de las expediciones era aprovechar el efecto protector de la Luna durante un eclipse solar total y utilizar la astrometría para medir las posiciones de las estrellas en el cielo alrededor del Sol durante el eclipse. Estas estrellas, normalmente no visibles durante el día debido al brillo del Sol, se harían visibles durante el momento de totalidad cuando la Luna cubriera el disco solar. Una diferencia en la posición observada de las estrellas durante el eclipse, en comparación con su posición normal (medida algunos meses antes por la noche, cuando el Sol no está en el campo de visión), indicaría que la luz de estas estrellas se había desviado al pasar cerca del Sol. Dyson, al planificar la expedición en 1916, había elegido el eclipse de 1919 porque tendría lugar con el Sol frente a un grupo brillante de estrellas llamado las Híades . El brillo de estas estrellas facilitaría la medición de cualquier cambio en la posición.
Se enviarían dos equipos de dos personas para realizar observaciones del eclipse en dos lugares: la isla de Príncipe, en África occidental , y la ciudad brasileña de Sobral .
Los miembros de la expedición Príncipe fueron Eddington y Edwin Turner Cottingham, del Observatorio de Cambridge , mientras que los miembros de la expedición Sobral fueron Andrew Crommelin y Charles Rundle Davidson, del Observatorio de Greenwich en Londres. Eddington era director del Observatorio de Cambridge, y Cottingham era un relojero que trabajaba en los instrumentos del observatorio. Del mismo modo, Crommelin era asistente en el Observatorio de Greenwich, mientras que Davidson era uno de los ordenadores del observatorio .
Las expediciones fueron organizadas por el Joint Permanent Eclipse Committee, un comité conjunto entre la Royal Society y la Royal Astronomical Society , presidido por Dyson, el astrónomo real. La solicitud de financiación para la expedición se presentó al Comité de Subvenciones del Gobierno, solicitando £100 para instrumentos y £1000 para viajes y otros gastos.
A mediados de 1918, investigadores del Observatorio Nacional de Brasil determinaron que la ciudad de Sobral , Ceará , era la mejor posición geográfica para observar el eclipse solar. Su director, Henrique Charles Morize , envió un informe a instituciones científicas de todo el mundo sobre el tema, incluida la Royal Astronomical Society , de Londres. [13]
El equipo del Observatorio de Greenwich enviado a Brasil estaba formado por Charles Davidson y Andrew Crommelin , con Frank Dyson coordinando todo desde Europa y, más tarde, siendo responsable de analizar los datos del equipo. El equipo llegó a Brasil el 23 de marzo de 1919 y su equipo fue dispensado sin inspección como cortesía del gobierno brasileño. [13] Si bien Eddington participó en la expedición Príncipe, se desconoce por qué Dyson no viajó a Brasil. [14]
El equipo estaba formado por dos telescopios astrográficos acoplados a sistemas de espejos conocidos como coelostatos; un telescopio principal del Observatorio Real de Greenwich con una apertura de 13 pulgadas y montado en un coelostato de 16 pulgadas y un pequeño telescopio de respaldo con una apertura de 4 pulgadas tomado prestado de Aloysius Cortie . [13]
El 30 de abril, el equipo llegó a Sobral. El día del eclipse comenzó nublado, pero el cielo se despejó y el disco de la Luna comenzó a oscurecer el Sol poco antes de las 8:56 am; el eclipse duró 5 minutos y 13 segundos. El equipo permaneció en Sobral hasta julio para fotografiar el mismo campo de estrellas por la noche. [13] [15]
El telescopio principal registró doce estrellas, mientras que el de reserva registró siete. El telescopio principal tuvo imágenes borrosas, que fueron descartadas de la conclusión final, mientras que el más pequeño tuvo las imágenes más claras y fue el más confiable. [13] [14] [15] Daniel Kennefick defiende que sin las fotografías de Sobral, los resultados del eclipse de 1919 habrían sido inconcluyentes y que las expediciones durante eclipses futuros no lograron mejorar los datos. [14]
Al equipo británico se unió el equipo brasileño liderado por Henrique Charles Morize y los astrónomos Lélio Gama , Domingos Fernandes da Costa, Allyrio Hugueney de Mattos y Teófilo Lee con el objetivo de producir observaciones espectroscópicas de la corona solar. [16]
El equipo instaló su equipo en una plaza frente a la iglesia de Patrocínio, donde hoy se encuentra el Museo del Eclipse. El equipo tomó varias placas de 24 x 18 y 9 x 12 cm que capturaron el Sol y las posiciones de las estrellas cerca de su borde, pero desafortunadamente, no se extrajeron conclusiones significativas de los datos producidos por el equipo brasileño, y su contribución se definió como un mero apoyo logístico para el equipo británico y las observaciones climáticas. [16] Sus placas fueron restauradas por el Observatorio Nacional en 2015, [16] mientras que las placas del equipo británico se perdieron después de 1979. [14]
La tercera expedición de ese día estuvo formada por Daniel Maynard Wise y Andrew Thomson, del Instituto Carnegie . Su objetivo era estudiar los efectos del eclipse en el campo magnético y la electricidad atmosférica. [16]
En 1925, Einstein declaró a la prensa brasileña sobre los resultados: "El problema concebido por mi cerebro fue resuelto por el brillante cielo brasileño". [15] [17]
El equipo utilizado para la expedición a Príncipe, una isla en el Golfo de Guinea frente a la costa de África Occidental, fue una lente astrográfica prestada del Observatorio Radcliffe en Oxford. Eddington zarpó de Inglaterra en marzo de 1919. A mediados de mayo, tenía su equipo instalado en Príncipe, cerca de lo que entonces era Guinea Española . El eclipse debía tener lugar a primera hora de la tarde del 29 de mayo, a las 14 horas, pero esa mañana hubo una tormenta con fuertes lluvias. Eddington escribió:
La lluvia paró hacia el mediodía y sobre la 1.30… empezamos a ver el sol. Tuvimos que sacar nuestras fotografías con fe. No vi el eclipse, por estar demasiado ocupado cambiando placas, salvo un vistazo para asegurarme de que había empezado y otro a mitad de camino para ver cuántas nubes había. Hicimos dieciséis fotografías. Todas son buenas del sol, mostrando una prominencia muy notable; pero la nube ha interferido con las imágenes de las estrellas. Las últimas fotografías muestran unas cuantas imágenes que espero nos den lo que necesitamos…
Eddington reveló las fotografías en Príncipe e intentó medir el cambio en las posiciones estelares durante el eclipse. El 3 de junio, a pesar de las nubes que habían reducido la calidad de las placas, Eddington anotó en su cuaderno: "... una placa que medí dio un resultado que coincidía con el de Einstein".
La futura astrónoma y astrofísica británica Cecilia Payne-Gaposchkin asistió a la expedición y a la conferencia de Eddington y más tarde contó cuán fuertemente la había afectado el viaje. [18]
Los resultados fueron anunciados en una reunión de la Royal Society en noviembre de 1919, [19] y publicados en Philosophical Transactions of the Royal Society en 1920. [2] Tras el regreso de la expedición, Eddington se dirigía a una cena celebrada por la Royal Astronomical Society y, mostrando su lado más alegre, recitó el siguiente verso que había compuesto en un estilo que parodiaba el Rubaiyat de Omar Khayyam : [20]
Oh, dejemos que los sabios cotejen nuestras medidas.
Una cosa al menos es cierta, la luz tiene peso.
Una cosa es cierta y el resto se debate.
Los rayos de luz, cuando están cerca del Sol, no van en línea recta.— Arthur Stanley Eddington , cena en la RAS [21]
Las mediciones de desviación de la luz fueron repetidas por expediciones que observaron el eclipse solar total del 21 de septiembre de 1922 en Australia . Un papel importante en esto lo desempeñaron el Observatorio Lick [c] y el Observatorio del Monte Wilson , ambos en California, EE. UU. [8] El 12 de abril de 1923, William Wallace Campbell anunció que los nuevos resultados preliminares confirmaban la teoría de la relatividad de Einstein y la predicción de la cantidad de desviación de la luz con mediciones de más de 200 estrellas. [23] Los resultados finales publicados en 1928 utilizaron mediciones de más de 3000 imágenes de estrellas. [24]
La presentación de los resultados en la sesión conjunta del 6 de noviembre de 1919 de la Royal Society y la Royal Astronomical Society provocó una intensa cobertura de prensa, primero en Gran Bretaña y unos días más tarde en la prensa estadounidense, en particular en The New York Times , y algunos días más tarde todavía en la prensa alemana. Si bien Einstein ya había sido una figura pública moderadamente famosa en Alemania durante algunos años en ese momento, los artículos en cuestión marcaron el comienzo de su estatus de celebridad internacional. [25] Una notable excepción fue Bélgica, donde los resultados de Eddington fueron tratados con frialdad, en parte porque Einstein era visto como representante de Alemania, con el sufrimiento de Bélgica en la Primera Guerra Mundial todavía muy presente en el país. [26] La repentina popularidad de las teorías de Einstein condujo a un "boom de Einstein" de libros de ciencia popular. [27]
Aunque hay una anécdota posterior que describe a Einstein como poco impresionado por los resultados experimentales, y seguro de su teoría incluso en ausencia de evidencia (afirmando, cuando se le preguntó qué habría dicho si los resultados hubieran sido otros, "Entonces sentiría pena por el querido Señor. La teoría es correcta de todos modos". [28] ), la evidencia de las cartas de Einstein a otros científicos indica, por el contrario, que estaba impresionado y conmovido por los nuevos resultados, y los consideró un éxito importante. [29]
Los resultados de 1919 también se utilizaron como parte de los esfuerzos sistemáticos del premio Nobel Philipp Lenard para desacreditar a Einstein, a quien Lenard, un ávido nacionalsocialista y exponente de lo que él veía como "física alemana", veía como un peligroso exponente de la antinatural "física judía". [30] Lenard señaló la predicción de 1801 que Johann Georg von Soldner había derivado de la gravedad newtoniana para la curvatura de la luz de las estrellas alrededor de un objeto masivo, [31] que corresponde a la mitad de la predicción relativista general derivada por Einstein en 1915, y por lo tanto a la propia derivación anterior de Einstein de 1911, y afirmó que demostraba que Einstein era un plagiario, y que von Soldner merecía que se le diera crédito por el resultado de 1919.
Tanto los resultados de 1919 como el libro de texto de Eddington sobre la relatividad general, cuya segunda edición, que incluía los resultados, fue objeto de numerosas traducciones a medida que crecía el interés por la teoría de Einstein, desempeñaron papeles importantes en la recepción de la teoría de Einstein en la comunidad científica. [32] Es notable que, si bien los resultados de Eddington se consideraron una confirmación de la predicción de Einstein y, en esa capacidad, pronto se abrieron camino en los libros de texto de relatividad general, [33] entre otros astrónomos siguió una discusión de una década sobre los valores cuantitativos de la desviación de la luz, con los resultados precisos en disputa incluso después de que varias expediciones hubieran repetido las observaciones de Eddington con ocasión de eclipses posteriores. [34] La discusión se refería tanto al análisis de los datos (como el diferente peso asignado a diferentes estrellas en las expediciones de eclipses de 1922 y 1929) como a la cuestión de los efectos sistemáticos específicos que podrían sesgar los resultados. [35] [36]
En general, las mediciones de eclipses de este tipo, utilizando luz visible, conservaron una incertidumbre considerable, y fueron solo las mediciones radioastronómicas a fines de la década de 1960 las que definitivamente mostraron que la cantidad de desviación era el valor completo predicho por la relatividad general, y no la mitad de ese número como predicho por un cálculo "newtoniano". [37] Esas mediciones y sus sucesoras son hoy en día una parte importante de las llamadas pruebas post-newtonianas de la gravedad, la forma sistemática de parametrizar las predicciones de la relatividad general y otras teorías en términos de diez parámetros ajustables en el contexto del formalismo post-newtoniano parametrizado , donde cada parámetro representa una posible desviación de la ley de gravitación universal de Newton. Las primeras parametrizaciones de la aproximación post-newtoniana fueron realizadas por Eddington (1922). El parámetro relacionado con la cantidad de desviación de la luz por una fuente gravitacional es el llamado parámetro de Eddington (γ), y actualmente es el mejor restringido de los diez parámetros post-newtonianos.
Casi al mismo tiempo que se realizaron las últimas mediciones serias de eclipses con fotoplacas, realizadas por una expedición de la Universidad de Texas que observaba en Mauritania en 1973, empezaron a surgir dudas sobre si las mediciones originales de Eddington eran suficientes para reivindicar la predicción de Einstein, o si el análisis sesgado de Eddington y sus colegas había sesgado los resultados. [ 38 ] En la comunidad de historia de la ciencia se plantearon preocupaciones similares sobre errores sistemáticos y posiblemente sesgo de confirmación , que ganaron más prominencia como parte del popular libro The Golem de Trevor Pinch y Harry Collins . [40] Sin embargo, un reanálisis moderno del conjunto de datos sugiere que el análisis de Eddington era preciso y, de hecho, menos afectado por sesgos que algunos de los análisis de datos de eclipses solares que siguieron. [41] [42] Parte de la reivindicación proviene de un reanálisis de 1979 de las placas de los dos instrumentos Sobral, utilizando una máquina de medición de placas mucho más moderna que la disponible en 1919, que respalda los resultados de Eddington. [43]
El experimento fue central en la trama de la película de televisión de la BBC de 2008, Einstein y Eddington , con David Tennant en el papel de Eddington.
