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 realizadas por dos expediciones, una hacia el Oeste. isla africana de Príncipe , y la otra a la localidad brasileña de Sobral . El objetivo de las expediciones era medir la desviación gravitacional de la luz de las estrellas que pasa 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. Posteriormente, Einstein mejoró su predicción tras finalizar su teoría en 1915 y obtener la solución de sus ecuaciones por parte de Karl Schwarzschild . Tras el regreso de las expediciones, Eddington presentó los resultados a la Royal Society de Londres [2] y, tras algunas deliberaciones, fueron aceptados. La amplia cobertura periodística de los resultados dio a Einstein y sus teorías fama mundial.
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 preguntar si las fotografías de eclipses solares existentes eran adecuadas 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 estaba en el Observatorio Lick en 1900, 1901, 1905 y 1908. No creía que las fotografías 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 las lentes de su cámara intramercurial. Perrine y el equipo de Córdoba fueron la única expedición de eclipses que construyó 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 intentó observar la desviación de la luz para probar la predicción de Einstein. [3] Eddington había participado en una expedición británica a Brasil para observar el eclipse de 1912, pero estaba interesado en diferentes 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 eclipses, procedentes de Argentina, Alemania y 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 pudieran realizar observaciones claras durante el eclipse. Las fotografías de Perrine, aunque no 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 los astrónomos estadounidenses de medir el efecto durante el eclipse de 1918 se vio frustrado por las nubes en un lugar [7] y por los resultados ambiguos debido a la falta del equipo adecuado en otro. [1] [8]
El artículo de Einstein de 1911 predijo que la desviación de la luz de las estrellas en el borde del Sol sería de 0,83 segundos de arco y alentó a los astrónomos a probar esta predicción observando estrellas cercanas al Sol durante un eclipse solar. [9] Fue una suerte para Einstein que el clima impidiera los resultados de Perrine en 1912 y de Perrine, Freundlich y Campbell en 1914. Si se hubieran obtenido resultados, es posible que hubieran refutado la predicción de 1911 que hizo retroceder 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 artículos de Einstein (presentados en Berlín, Alemania, en 1915), que habían sido enviados por el físico holandés neutral Willem de Sitter a la Real Sociedad Astronómica de Gran Bretaña. . Eddington, de quien 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 desviación de la luz, y el astrónomo real Frank Watson Dyson comenzó a hacer planes para el eclipse de mayo de 1919, que serían especialmente adecuados para tal prueba. Eddington también produjo un importante informe sobre la relatividad general para la Sociedad de Física , publicado como Informe sobre la teoría de la relatividad de la gravitación (1918). Eddington también dio una conferencia sobre relatividad en la Universidad de Cambridge, donde había sido profesor de astronomía desde 1913. [a]
El servicio militar obligatorio en tiempos de guerra en Gran Bretaña se introdujo en 1917. A la edad de 34 años, Eddington era elegible para ser reclutado en el ejército, pero su universidad obtuvo su exención por motivos de interés nacional. Esta exención fue posteriormente apelada 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 , por 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 prórroga de doce meses a Eddington para hacerlo. Aunque esta extensión se volvió discutible con 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 el Sol. La primera observación de la desviación de la luz se realizó observando el cambio de posición de las estrellas a medida que pasaban cerca del Sol en la esfera celeste . La deflexión angular aproximada δ φ para una partícula sin masa que entra desde el infinito y regresa al infinito viene dada por la siguiente fórmula: [b]
Aquí, b puede interpretarse como la distancia de máxima aproximación. Aunque esta fórmula es aproximada, es precisa para la mayoría de las mediciones de lentes gravitacionales , debido a la pequeñez de la relación rs /b . Para la luz que roza la superficie del Sol, la desviación angular aproximada es de aproximadamente 1,75 segundos de arco . [2] Esto es el doble del valor predicho por los cálculos que utilizan la teoría de la gravedad newtoniana. 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 la totalidad en que 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 unos 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 a medida que avanzaba. pasó cerca del Sol. Dyson, al planificar la expedición en 1916, había elegido el eclipse de 1919 porque tendría lugar con el Sol delante de un brillante grupo de estrellas llamado Híades . El brillo de estas estrellas facilitaría la medición de cualquier cambio de posición.
Se enviarían dos equipos de dos personas para observar el 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. De manera similar, Crommelin fue asistente en el Observatorio de Greenwich, mientras que Davidson fue una de las computadoras del observatorio .
Las expediciones fueron organizadas por el Comité Conjunto de Eclipse Permanente, 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 costos.
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 , siendo Frank Dyson coordinando todo desde Europa y, posteriormente, siendo el responsable de analizar los datos del equipo. El equipo llegó a Brasil el 23 de marzo de 1919 y su equipo fue renunciado 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 engranaje fue fabricado por dos telescopios astrográficos acoplados a sistemas de espejos conocidos como celostatos; un telescopio principal del Observatorio Real de Greenwich con una apertura de 13 pulgadas y montado en un celestato de 16 pulgadas y un pequeño telescopio de respaldo con una apertura de 4 pulgadas tomado 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, y el eclipse duró 5m13s. El equipo permaneció en Sobral hasta julio para fotografiar el mismo campo estelar por la noche. [13] [15]
El telescopio principal registró doce estrellas, mientras que el de respaldo registró siete. El telescopio principal tenía imágenes borrosas, que fueron descartadas de la conclusión final, mientras que el más pequeño tenía las imágenes más claras y era el más confiable. [13] [14] [15] Daniel Kennefick defiende que sin las fotografías de Sobral, los resultados del eclipse de 1919 no habrían sido concluyentes y que las expediciones durante futuros eclipses 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. [dieciséis]
El equipo colocó 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 por 18 y 9 por 12 cm que capturaban el Sol y las posiciones de las estrellas cerca de su borde, pero desafortunadamente no se sacaron conclusiones significativas de los datos producidos por el equipo brasileño y su contribución se definió como meramente logística. apoyo al equipo británico y 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, de la Carnegie Institution . Su objetivo era estudiar los efectos de los eclipses sobre el campo magnético y la electricidad atmosférica. [dieciséis]
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 Príncipe fue una lente astrográfica prestada del Observatorio Radcliffe de Oxford. Eddington zarpó de Inglaterra en marzo de 1919. A mediados de mayo tenía su equipo instalado en Príncipe, una isla en el Golfo de Guinea frente a la costa de África occidental, cerca de lo que entonces era la 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 sobre el mediodía y sobre la 1.30... empezamos a vislumbrar el sol. Tuvimos que realizar nuestras fotografías en la fe. No vi el eclipse, estaba demasiado ocupado cambiando de placas, excepto una mirada para asegurarme de que había comenzado y otra a mitad de camino para ver cuánta nube había. Tomamos dieciséis fotografías. Son todas buenas del sol, mostrando un protagonismo 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 de 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 Einstein".
La futura astrónoma y astrofísica británica Cecilia Payne-Gaposchkin asistió a la expedición y a la conferencia de Eddington y luego relató cuán fuertemente la había afectado el viaje. [18]
Los resultados se anunciaron en una reunión de la Royal Society en noviembre de 1919, [19] y se publicaron 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 Society. Sociedad Astronómica , 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, dejen a los Sabios nuestras medidas para cotejar
Una cosa al menos es cierta, la luz tiene peso
Una cosa es cierta y el resto debate
Los rayos de luz, cuando están cerca del Sol, no van rectos.— Arthur Stanley Eddington , cena RAS [21]
Las mediciones de la desviación de la luz fueron repetidas por las 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 Mount 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 3.000 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 dio lugar a una intensa cobertura de prensa primero en Gran Bretaña y unos días después en la prensa estadounidense, especialmente en The New York Times , y algunos días después. todavía en la prensa alemana. Si bien Einstein ya llevaba algunos años siendo una figura pública moderadamente famosa en Alemania, los artículos en cuestión marcaron el comienzo de su estatus de celebridad internacional. [25] Una excepción notable fue Bélgica, donde los resultados de Eddington fueron ignorados, en parte porque se consideraba que Einstein representaba a 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 divulgación científica. [27]
Si bien 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 diferentes, "Entonces sentiría lástima por 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 quedó impresionado y conmovido por los nuevos resultados, y los consideró como 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, él mismo un ávido nacionalsocialista y exponente de lo que él consideraba "física alemana", veía como un peligroso exponente de lo antinatural. Física judía". [30] Lenard señaló la predicción de 1801 que Johann Georg von Soldner había derivado de la gravedad newtoniana para la luz estelar que se curva alrededor de un objeto masivo, [31] que corresponde a la mitad de la predicción relativista general derivada por Einstein en 1915 y, por tanto, a la del propio Einstein. derivación anterior 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, recibió numerosas traducciones a medida que crecía el interés por la teoría de Einstein, desempeñaron un papel importante en la recepción de la teoría de Einstein en la comunidad científica. [32] Es notable que si bien los resultados de Eddington fueron vistos como una confirmación de la predicción de Einstein, y en esa capacidad pronto encontraron su camino en los libros de texto de relatividad general, [33] entre los observadores siguió una discusión de una década sobre los valores cuantitativos de desviación de la luz, cuyos resultados precisos están en discusión incluso después de que varias expediciones hubieran repetido las observaciones de Eddington con motivo de eclipses posteriores. [34] La discusión se centró tanto en el análisis de datos – como el diferente peso asignado a diferentes estrellas en las expediciones de eclipses de 1922 y 1929 – como en 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, conservaban una incertidumbre considerable, y sólo las mediciones radioastronómicas de finales de los años 1960 demostraron definitivamente que la cantidad de deflexión era el valor total predicho por la relatividad general, y no la mitad. ese número tal como lo predice un cálculo "newtoniano". [37] Esas mediciones y sus sucesoras son hoy en día una parte importante de las llamadas pruebas de gravedad posnewtonianas , la forma sistemática de parametrizar las predicciones de la relatividad general y otras teorías en términos de diez parámetros ajustables en el contexto de la parametrización. Formalismo posnewtoniano , donde cada parámetro representa una posible desviación de la ley de gravitación universal de Newton. Las primeras parametrizaciones de la aproximación posnewtoniana 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 posnewtonianos.
Aproximadamente en el momento de las últimas mediciones serias de un eclipse de fotoplaca, realizadas por una expedición de la Universidad de Texas que observó en Mauritania en 1973, comenzaron a surgir dudas sobre si las mediciones originales de Eddington eran suficientes para justificar la predicción de Einstein, o si el análisis sesgado por Eddington y sus colegas habían sesgado los resultados. [38] Preocupaciones similares sobre errores sistemáticos y posiblemente sesgo de confirmación surgieron en la comunidad de historia científica [39] y 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 fue preciso y, de hecho, menos afectado por el sesgo que algunos de los análisis de datos de eclipses solares que siguieron. [41] [42] Parte de la reivindicación proviene de un nuevo análisis realizado en 1979 de las placas de los dos instrumentos Sobral, utilizando una máquina de medición de placas mucho más moderna que la que estaba disponible en 1919, lo que respalda los resultados de Eddington. [43]
El experimento fue fundamental para la trama de la película para televisión de la BBC de 2008 Einstein and Eddington , con David Tennant en el papel de Eddington.
