El corrimiento al rojo gravitatorio para dummies

El corrimiento al rojo gravitatorio es un fenómeno físico que se explica a través de la teoría de la relatividad de Einstein. Pero para hacernos una idea de qué es lo que sucede no es necesario entender la relatividad, se puede usar una analogía más sencilla para acercarnos a la compresión del fenómeno.

Antes de nada vamos a describir en que consiste dicho fenómeno. Como es sabido, la gravedad es una fuerza atractiva, es decir, dos cuerpos que experimentan la gravedad en ausencia de otras fuerzas que interfieran, tenderán a acercarse. Podemos decir que esta descripción responde a una perspectiva newtoniana de la gravedad. Desde una perspectiva relativista diríamos que los objetos con masa curvan y deforman el espacio-tiempo circundante. Esa curvatura es lo que nosotros experimentamos como la gravedad. El enfoque es completamente distinto, lo que antes se entendía como una fuerza, ahora sabemos que es un cambio en la geometría del espacio-tiempo. Para nuestros propósitos podemos seguir pensando en la gravedad como un campo de fuerza atractiva.

Ahora debemos dar un vistazo a la naturaleza de la luz. La luz son partículas, fotones es el nombre que les damos. Hay que recordar que toda partícula tiene al mismo tiempo propiedades de onda y de partícula, esto es algo que contraria nuestro sentido común, pero los experimentos son claros y han mostrado está naturaleza tan bizarra de la realidad. Por lo tanto, los fotones no son una excepción, y aunque podemos pensar en ellos como pequeñas partículas, no debemos olvidar que también tienen propiedades de onda.

El corrimiento al rojo gravitatorio consiste en que cuando la luz intenta escapar de un campo gravitatorio se vuelve "más roja". Pensemos en fotones de luz de color violeta. Si estos intentan salir de un campo gravitatorio sucederá que la frecuencia asociada a los mismos(recordar que tiene propiedades de onda) se va haciendo más pequeña. En el espectro visible, el rojo, es la luz de menor frecuencia, por eso se dice que unos fotones cuya frecuencia va decreciendo están experimentando un corrimiento al rojo.

Ahora vamos a ver si podemos hacernos una idea aproximada de lo que está pasando. La analogía que voy a usar es de Lisa Randall⁽¹⁾(al menos se la he leído a ella). Aprovechemos que estamos inmersos en el campo gravitatorio de la Tierra. Cojamos una pelota de tenis(en realidad vale cualquier objeto que podáis lanzar) y lanzarla de forma vertical hacia arriba ¿qué es lo que sucede? Al lanzar la pelota le estamos imprimiendo una velocidad, velocidad que la pelota va perdiendo hasta que llega un momento en el que se para y deja de subir, para a continuación comenzar a bajar. Lo que está sucediendo es que, al intentar escapar del campo gravitatorio la pelota pierde energía cinética, que es la energía que depende de la velocidad. Como la energía ni se crea ni se destruye, esa pérdida de energía cinética se convierte en un incremento de la energía potencial de la pelota. Ahora imaginemos que el que está intentando escapar del campo gravitatorio es un fotón en lugar de una pelota, entonces, el fotón también debería perder parte de su energía cinética mientras su energía potencial aumenta. Ahora bien, sabemos que la velocidad de la luz es absoluta, es decir, siempre es la misma, independientemente desde donde la midamos y cómo la midamos, un fotón no puede moverse a una velocidad inferior o superior a la velocidad c(300000km/s en el vacío). Por lo tanto, su pérdida de energía no puede venir dada porque se desplace a una velocidad menor. La energía de un fotón es igual a la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de dicho fotón. Dado que la constante es un numero fijo que no varía, la única opción posible para que su energía sea menor es que la frecuencia asociada a dicho fotón sea cada vez menor y, por lo tanto, dicho fotón tiene que experimentar ese corrimiento al rojo al intentar escapar del campo gravitatorio.

(1) - Randall, Lisa. Universos ocultos. Un viaje a las dimensiones extras del cosmos. Acantilado. Barcelona.2011