La Naturaleza del Conocimiento Científico

Corrimiento al Rojo y el efecto Doppler

Aproximadamente al mismo tiempo, un físico austriaco con el nombre de Christian Doppler estudiaba astronomía y matemáticas. Doppler sabía que la luz se comportaba como una onda, y así comenzó a pensar en cómo el movimiento de las estrellas podría afectar la luz emitida por esas estrellas. En un artículo publicado en 1842, Doppler propuso que la frecuencia observada de una onda dependería de la velocidad relativa de la fuente de la onda en relación con el observador, un fenómeno que llamó un «cambio de frecuencia» (Doppler, 1842). Hizo una analogía con un barco a vela en el océano, describiendo cómo el barco se encontraría con olas en la superficie del agua a un ritmo más rápido (y, por lo tanto, con una frecuencia más alta) si navegara en las olas que si viajara en la misma dirección que las olas.

Es posible que esté familiarizado con el cambio de frecuencia, que ahora llamamos el Efecto Doppler en su honor, si alguna vez ha escuchado el sonido del tráfico mientras está parado al lado de la carretera. El familiar cambio de tono alto a bajo es un ejemplo del efecto: la frecuencia real de las ondas emitidas no cambia, pero la velocidad del vehículo que pasa afecta la rapidez con la que te llegan esas ondas. Doppler propuso que veríamos el mismo efecto en cualquier estrella que se moviera: Su color se desplazaría hacia el extremo rojo del espectro si se estuvieran alejando de la Tierra (llamado corrimiento al rojo) y hacia el extremo azul del espectro si se estuvieran acercando (llamado corrimiento al azul) (ver Figura 4). Esperaba poder ver este cambio en estrellas binarias, o pares de estrellas que orbitan una alrededor de la otra. Finalmente, el artículo de Doppler de 1842, titulado «Sobre la luz de color de las estrellas dobles y ciertas otras estrellas del cielo», cambiaría la forma en que miramos el universo. Sin embargo, en ese momento, los telescopios no eran lo suficientemente sensibles como para confirmar el cambio que proponía.

Las ideas de Doppler se convirtieron en parte de la literatura científica y por ese medio se dieron a conocer a otros científicos. A principios de 1900, la tecnología finalmente se puso al día con el Doppler y telescopios más potentes podrían usarse para probar sus ideas. En septiembre de 1901, un estadounidense llamado Vesto Slipher acababa de terminar su licenciatura en mecánica y astronomía en la Universidad de Indiana. Consiguió un trabajo como asistente temporal en el Observatorio Lowell en Flagstaff, Arizona, mientras continuaba su trabajo de graduado en Indiana. Poco después de su llegada, el observatorio obtuvo un espectrógrafo de tres prisma, y el trabajo de Slipher era montarlo en el telescopio de 24 pulgadas en el observatorio y aprender a usarlo para estudiar la rotación de los planetas en el sistema solar. Después de unos meses de problemas y resolución de problemas, Slipher pudo tomar espectrogramas de Marte, Júpiter y Saturno. Pero los intereses personales de investigación de Slipher estaban mucho más lejos que los planetas del sistema solar. Al igual que Doppler, estaba interesado en estudiar los espectros de las estrellas binarias, y comenzó a hacerlo en su tiempo libre en el observatorio.

Durante la siguiente década, Slipher completó una maestría y un doctorado en la Universidad de Indiana, mientras continuaba su trabajo en el Observatorio Lowell midiendo los espectros y el desplazamiento Doppler de las estrellas. En particular, Slipher centró su atención en las estrellas dentro de las nebulosas espirales (Figura 5), esperando encontrar que el cambio visto en los espectros de las estrellas indicaría que las galaxias a las que pertenecían esas estrellas estaban rotando. De hecho, se le atribuye la determinación de que las galaxias giran, y fue capaz de determinar las velocidades a las que giran. Pero en 1914, habiendo estudiado 15 nebulosas diferentes, anunció un curioso descubrimiento en una reunión de la Sociedad Astronómica Americana en agosto:

En la gran mayoría de los casos, las nebulosas están retrocediendo; las velocidades más grandes son todas positivas…La sorprendente preponderancia del signo positivo indica que un general huye de nosotros o de la Vía Láctea.

Slipher había encontrado que la mayoría de las galaxias mostraban un corrimiento al rojo en su espectro, indicando que todas se estaban alejando de nosotros en el espacio, o retrocediendo (Slipher, 1915). Midiendo la magnitud del corrimiento al rojo, pudo determinar la velocidad recesiva o la velocidad a la que los objetos «huían».»Slipher había hecho una interpretación de sus observaciones que puso una nueva perspectiva sobre el universo, y en respuesta, recibió una ovación de pie por su presentación.

Slipher continuó su trabajo con corrimiento al rojo y galaxias y publicó otro artículo en 1917, habiendo examinado 25 nebulosas y visto un corrimiento al rojo en 21 de ellas. Georges Lemaître, físico y astrónomo belga, se basó en el trabajo de Slipher mientras completaba su doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Extendió las mediciones de Slipher a todo el universo, y calculó matemáticamente que el universo debía expandirse para explicar la observación de Slipher. Publicó sus ideas en un artículo de 1927 llamado «Un universo homogéneo de masa constante y radio creciente que representa la velocidad radial de las nebulosas extragalácticas» (Lemaître, 1927), pero su artículo recibió críticas generalizadas de la comunidad científica. El astrónomo inglés Fred Hoyle ridiculizó la obra, y acuñó el término «Teoría del Big Bang» como un apodo despectivo para la idea de Lemaître. Y nada menos que Albert Einstein criticó a Lemaître, escribiéndole «Tus matemáticas son correctas, pero tu física es abominable» (Deprit, 1984).

La crítica de Einstein tenía un componente personal y cultural, dos cosas que a menudo pasamos por alto en términos de su influencia en la ciencia. Varios años antes, Einstein había publicado su teoría general de la relatividad (Einstein, 1916). Al formular la teoría, Einstein había encontrado un problema significativo: la relatividad general predijo que el universo tenía que contraerse o expandirse, no permitía un universo estático. Pero un universo en contracción o expansión no podía ser eterno, mientras que un universo estático e inmóvil sí podía, y la creencia cultural prevaleciente en ese momento era que el universo era eterno. Einstein estaba fuertemente influenciado por su entorno cultural. Como resultado, inventó un «factor de caramelo», al que llamó la constante cosmológica, que permitiría que la teoría de la relatividad general fuera consistente con un universo estático. Pero la ciencia no es una democracia o plutocracia; no es la conclusión más común o más popular la que se acepta, sino más bien la conclusión que resiste la prueba de la evidencia a lo largo del tiempo. La constante cosmológica de Einstein estaba siendo desafiada por nuevas pruebas.