18/Abr/09

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¿Cambia la gravedad con las estaciones?

Todos han oído hablar de la manzana de Newton. Dicen que la observó caer al suelo en el otoño de 1666, llevándolo a hacerse una serie de preguntas. "¿Por qué esa manzana siempre desciende perpendicularmente al suelo?", se preguntó Newton. "¿Por qué no puede caer a un lado o hacia arriba, sino constantemente hacia el centro de la Tierra?"

A medida que la Tierra gira alrededor del Sol,
la fuerza de su gravedad podría variar debido a la
interacción con una fuerza no descubierta,
llamada "Campo-X".

Una pregunta que Newton no hizo es si las manzanas y las naranjas caían de manera diferente. O si una manzana cayese de manera diferente en primavera. Podrían parecer preocupaciones peculiares, pero Alan Kostelecký, físico ubicado en la Indiana University en Bloomington, cree que son importantes. Él y su postgraduado Jay Tasson han descubierto que tales flagrantes violaciones de nuestra mejor teoría de la gravedad podrían haber evadido fácilmente la detección durante siglos.

Y además, en un trabajo publicado en las Physical Review Letters (vol 102, p 10402), ellos han demostrado que investigar tales posibilidades improbables podría ayudarnos a averiguar qué hace funcionar al universo. "Hemos hecho un descubrimiento sorprendente y delicioso", dice Kostelecký. "Podríamos echarle un vistazo a la teoría final que apuntala nuestro universo".

Es la culminación de un trabajo de 20 años de Kostelecký. En 1989 empezó a pensar en cómo encontrar una falla en nuestro mejor conocimiento de cómo funciona el universo, proporcionado por dos grandes teorías. La primera es la relatividad general, la teoría de Einstein de cómo funciona la gravedad. La otra es el modelo estándar de la física de partículas, una descripción cuántica de la materia a nuestro alrededor y de todas las fuerzas aparte de la gravedad.

Por el momento, la relatividad y el modelo estándar están incompletos. La relatividad general se derrumba cuando la gravedad es muy fuerte —cuando describe el Big Bang, por ejemplo, o el núcleo de un agujero negro—. Y el modelo estándar tiene que ser deformado hasta su punto límite para explicar las masas de partículas fundamentales del universo. Las dos teorías son también incompatibles; por ejemplo, tienen conceptos completamente diferentes del tiempo. Esto ha hecho imposible unir las dos en una simple "Teoría del todo".

El problema es que, a pesar de sus defectos, la relatividad y el modelo estándar son muy buenas teorías. Tomadas por separado, describen perfectamente casi todos los fenómenos físicos conocidos por la ciencia. Si queremos saber cómo va a ser la teoría que las unifique, tenemos que encontrar cosas que no puedan explicar. "El desafío es encontrar esos fenómenos", dice Kostelecký. Es lo que él y Tasson creen que ahora podrían ser capaces de hacer.

Han empezado lanzando un ataque sobre una premisa casi sagrada de la física, conocida como la simetría de Lorentz. Ésta dice que las leyes de física parecen iguales para cualquiera que se mueva a una velocidad uniforme con relación a uno, sin importar la orientación en el espacio.

Una consecuencia de la simetría o covariancia de Lorentz es que el universo debe ser isótropo: sea cual sea la dirección en que uno mire o viaje, todo parece casi igual y se comporta del mismo modo. No hay "arriba" o "abajo", y no hay dirección en que la luz, las personas o los planetas puedan desplazarse más fácilmente.

Hasta ahora, no se ha visto nada en el universo que viole la simetría de Lorentz. Pero no quiere decir que la simetría de Lorentz sea inviolable. Simplemente significa que podríamos haber estado mirando en el lugar equivocado hasta ahora, o que los experimentos que han buscado violaciones en la simetría no han sido suficientemente sensibles.

Kostelecký y Tasson no han escogido la simetría de Lorentz al azar. Varios intentos de desarrollar una teoría del todo, todos han sugerido que podía violarse. Entre los más conocidos están los enfoques llamados teoría de cuerdas y gravedad cuántica de bucle.

Kostelecký no ha puesto sus esperanzas en una particular teoría del todo, sin embargo. En cambio, ha tomado un enfoque de final abierto que espera nos dé una idea de dónde buscar las violaciones de la simetría de Lorentz e informar futuras teorías.

Él y sus colegas usan la relatividad general y el modelo estándar como punto de partida, luego sugieren maneras de violar la simetría. Lo hacen postulando que el universo está lleno con campos de fuerza aún desconocidos que imponen una dirección "preferente" al espacio y por lo tanto violan la simetría. El resultado es una teoría que Kostelecký llama extensión del modelo estándar, o SME.

Al incluir todas las fuerzas y partículas conocidas, y cómo podrían interactuar con los nuevos campos de fuerza, la SME expone un surtido de fenómenos hasta ahora ignorados que podrían proporcionar una violación observable de la simetría de Lorentz. "Actualmente, los experimentadores se están abriendo camino a través de la lista", dice Kostelecký.

Hasta ahora siguen sin saber nada. Los investigadores han observado si los relojes funcionan más rápido en cierta orientación en el espacio, o si el campo magnético de un material —creado por el giro de los electrones dentro de él— cambia con la orientación del eje de giro de los electrones. Hasta ahora, no han encontrado nada.

Sin embargo, no significa que podemos suponer que los campos de fuerza en la SME no existen. Algunos campos podrían ser invisibles a los fotones, pero visibles a otras partículas como los neutrinos. O quizás un campo interactúa enérgicamente con la gravedad, pero no con el electromagnetismo.

Para ver cómo funciona la idea, imagine uno de los campos SME de Kostelecký —llamémosle "Campo-X"— pasando a través de nuestro Sistema Solar. El Campo-X, como un campo magnético o eléctrico, tiene una orientación que puede ser graficada como una serie de flechas. ¿Qué ocurre cuando una partícula, un neutrón o un protón, pasa a través de él?

Para empezar, el campo podría imponer un sutil efecto sobre el giro de la partícula, o crear un pequeño cambio de fase en su trayectoria. O puede ser que diferentes clases de partículas responden al campo de manera diferente.

Nunca hemos notado esos efectos de modo que nunca hemos detectado ningún campo. Pero Kostelecký y Tasson señalan que podríamos haber estado mirando en la dirección incorrecta. Si el Campo-X y la gravedad del Sol se afectan el uno al otro, bien podría haber efectos que no hemos notado.

Esas interacciones entre el Campo-X y la gravedad podrían ser una rica veta para que los científicos exploren. Los más recientes cálculos de Kostelecký y Tasson muestran que estas interacciones podrían producir violaciones en la simetría, tantas como 10³⁰ veces más grandes que algunas de las que los investigadores han intentado encontrar hasta ahora.

Eso no hará a las violaciones fáciles de detectar, sin embargo: comparada con la otra fuerza fundamental, la gravedad es asombrosamente débil, de modo que las variaciones causadas por el Campo-X todavía serían muy difíciles de medir.

Una manera en que podríamos descubrir evidencias del Campo-X es buscar pequeñas diferencias en la fuerza de la gravedad en diferentes épocas del año. "Las manzanas podrían caer a velocidades diferentes en estaciones diferentes", dice Kostelecký, aunque no puede predecir cuándo las manzanas podrían caer más rápido. "Será un efecto cíclico".

Esto ocurre porque la atracción gravitatoria del Sol podría deformar ligeramente el Campo-X. De acuerdo con los cálculos de Kostelecký, la gravedad hace que las flechas del Campo-X se inclinen hacia el sol en un valor que depende de la fuerza del campo gravitatorio en esa ubicación (ver el diagrama). Experimentos adecuadamente diseñados podrían detectar cómo varía el comportamiento de una partícula cuando la Tierra le da la vuelta al Sol, variación atribuible a sus diferentes posiciones en el Campo-X en el espacio.

Otra posibilidad que postulan Kostelecký y Tasson es que el Campo-X afecta a partículas diferentes de maneras diferentes. Por ejemplo, cada tipo de quark podría "sentir" el Campo-X en grados diferentes. O quizás la cantidad de electrones en un átomo condiciona cómo se acopla ese átomo al Campo, y por lo tanto, a la gravedad. Podría incluso ser que una combinación de factores —por ejemplo, las partículas componentes de los átomos y su posición en el espacio— dé forma a los detalles más finos de cómo se acoplan los diferentes objetos al Campo-X y a la gravedad, produciendo efectos inesperados. "Manzanas y naranjas podrían caer a velocidades diferentes", dice Kostelecký.

La búsqueda comienza

Aunque podría parecer una posibilidad remota, el artículo de Kostelecký y Tasson ofrece una excitante y nueva perspectiva, dice Mike Tobar, físico de la Universidad de Australia Occidental en Crawley. "Es un desarrollo importante", dice. Ronald Walsworth de Harvard University está de acuerdo: "Espero que ahora algunos grupos experimentales busquen los efectos que Kostelecký está proponiendo".

Entonces, ¿dónde empezarán? Cuando los efectos se muestren como las anomalías en la manera en que las partículas responden a la gravedad, Kostelecký y Tasson han propuesto probar una versión modificada de la ley universal de la gravedad de Newton. La idea es ver si es consecuente cuando se aplica a diferentes combinaciones de partículas —protones, neutrones y electrones— en momentos y lugares diferentes. Hasta ahora, apenas una diminuta fracción de esta nueva gama de efectos posibles ha sido investigada.

Una investigación de ésas, realizada por el grupo de Eric Adelberger en la University of Washington en Seattle, buscó una diferencia en la manera en que el titanio y el berilio responden a la gravedad.

"El experimento de Adelberger es análogo a comparar la caída de una manzana y una naranja al mismo tiempo", dice Kostelecký.

Nadie se hace muchas ilusiones. Si hay una diferencia en la atracción de la gravedad para estos elementos diferentes, va a ser muy pequeña. Es por eso que los investigadores de Washington se involucraron: ellos son expertos en el uso de balanzas de torsión espantosamente sensibles, que miden la atracción gravitatoria entre dos masas, para sondear esta clase de situación.

Para llevar a cabo el experimento, también tenían que proteger su balanza de los campos eléctricos y magnéticos y de las vibraciones desde laboratorios cercanos, mientras que también compensar la variante atracción gravitatoria de la capa freática subterránea cuando crece y disminuye en diferentes épocas del año.

Al final, sin embargo, descubrieron que no había ninguna diferencia en el acoplamiento del berilio y del titanio a la gravedad, en una parte en 100.000 millones, por lo menos.

Kostelecký se mantuvo impávido. El experimento de Adelberger solamente probó un tipo de interacción entre el campo hipotético y la gravedad. Kostelecký cree que los experimentos llevados a cabo en épocas diferentes del año podrían exponer otro aspecto del acoplamiento. Con el cambio de estaciones, la orientación relativa de la velocidad de la Tierra y las flechas del Campo-X cambiarían significativamente.

Si eso falla, hay otras alternativas, incluso la posibilidad de que la antimateria desentrañe la simetría del universo. "Las manzanas y las anti-manzanas podrían caer a velocidades diferentes", dice Kostelecký. Esta idea es aun más difícil de explorar: acumular suficiente antimateria para hacer un cuerpo con la masa de una manzana, por ejemplo, está más allá de nuestra capacidad tecnológica actual. Ya se fabricaron átomos de anti-hidrógeno, sin embargo, y están en marcha las acciones para ver si caen de manera diferente a los átomos de hidrógeno. "Podríamos obtener resultados dentro de la próxima década", dice Kostelecký.

Kostelecký está diseñando otros experimentos que podrían revelar los campos postulados por la SME. Sensores superconductores de gravedad, rayos láser que sondean la distancia hasta la Luna, interferómetros de átomos y los próximos experimentos de gravedad con base en un satélite como microSCOPE y STEP; ninguno o todos podrían ayudar a encontrar dónde se derrumba esa dichosa simetría, y dónde tiene que arrancar esa elusiva teoría final del universo.

Bien, es una esperanza. Aunque Walsworth está de acuerdo en que tales experimentos son importantes, todavía no está convencido de que revelarán alguna violación de la simetría. "No es seguro, de ninguna manera, que existan o que nosotros los humanos alguna vez seamos capaces de encontrarlas", dice.

Adelberger es también cauteloso sobre las posibilidades, pero cree que deberíamos mirar de todos modos. Cree que el problema de la conciliación de la relatividad y la teoría cuántica es tan grande que no podemos permitirnos dejar de poner a prueba ninguno de nuestros preciados principios. "Parece muy probable que nos estamos perdiendo de algo inmenso en la física", dice Adelberger. "Me sorprendería si grandes efectos por violaciones de Lorentz están presentes, pero al final vale la pena hacer pruebas para ver si la naturaleza respeta mis prejuicios".

Fuente: New Scientific. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard