El principio de equivalencia y las lentes gravitacionales.

La gravedad no sólo modifica el movimiento de cuerpos masivos en el espacio, sino también los no masivos. Esto se puede deducir, sin pensar aún en relatividad general, del principio de equivalencia. Se puede resumir este principio como sigue: Considerar el movimiento en un campo gravitacional es equivalente a considerar el movimiento en un sistema de referencia acelerado. A esto Einstein lo llamó "el pensamiento más feliz de mi vida"... y ciertamente lo era, pues tiene profundas implicaciones en los conceptos de espacio y tiempo. El ejemplo más esquemático del principio de equivalencia es el famoso elevador (usado por el mismo Albert).

No se puede distinguir dentro de un elevador herméticamente cerrado si se está cayendo dentro de un campo gravitacional o en el espacio libre muy lejos de fuentes gravitacionales: cayendo los objetos sufren la misma aceleración y mantienen un movimiento inercial entre ellos si no se aplican fuerzas dentro, justo como sucede en el espacio libre.

Del mismo modo, no se puede distinguir en un elevador fijo en un campo gravitacional de un sistema acelerado (digamos hacia arriba), pues en ambos se "siente" un peso respecto al suelo del elevador.

Una consecuencia de lo último es que, dado que un rayo de luz que atraviesa el elevador o cualquier sistema acelerado tendrá una trayectoria curva en ese sistema de referencia -como contraparte a un sistema inercial (no acelerado), donde la trayectoria es una línea recta-, lo mismo debería pasar en un campo gravitacional; esto es, la trayectoria de la luz se curva en presencia de un campo gravitacional.

Tal efecto fué observado por primera vez en 1919 en un eclipse solar por un equipo dirigido por Arthur S. Eddington de la Royal Society. Cabe mencionar que el principio de equivalencia puede incorporar como límite para aceleración (-gravedad) cero dos tipos de espacio-tiempo planos, uno donde el tiempo es absoluto, que probó ser incorrecto unos 10 años antes de publicarse la teoría general de relatividad, y como segunda posibilidad un espacio-tiempo donde el tiempo, distancias y asociados son relativos para distintos sistemas de referencia, y es ésta segunda posibilidad la que se comprobó en el mencionado eclipse, así como en el resto de las observaciones hasta la fecha.

Este efecto de lente gravitacional se da de manera espectacular en varias fotografías tomadas por el Hubble. En la imagen de la izquierda en el cúmulo galáctico 0024+1654 se ve una galaxia (de color azul) 5 veces; según la página del Hubble infirieron que era una misma galaxia por el parecido de todas, pero no estoy seguro de que lo confirmaran mediante espectroscopia, lo cual debió ser. De manera similar, la imagen de la derecha, tomada por el Hubble en 2006, muestra un cuásar y una galaxia distorsionados y multiplicados por el efecto de lente gravitacional por el cúmulo galáctico J1004+4112. Eso es señalado en la siguiente imagen de abajo.

Aquí se señala cómo el mismo cuásar aparece cuatro veces y una galaxia dos, por el efecto de lente en cuestión. Por último en el tema, pongo una imagen que es una simulación del tipo de lente generada por un agujero negro al pasar enfrente de la Gran Nube de Magallanes.

Menciono que todo lo anterior es análogo a los fenómenos de refracción comunes en óptica generados por pasar la luz a través de medios de distinta densidad, lo que causa un efecto muy curioso en Finlandia, donde se observan unos días del año tres soles. La imagen de la izquierda muestra ese lindo efecto (aunque sólo muestra dos soles), y fue tomada en mayo de 2008 por un viajero barcelonés.

Imagen de agujero negro simulado bajo licencia de Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 .