17/Mar/09

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La gravedad puede aventurarse donde la materia teme caminar

"No hay nada seguro en este mundo", escribió una vez Benjamin Franklin, fundador de EEUU, "excepto la muerte y los impuestos". Como científico, podría haber añadido una tercera fuerza ineludible: la gravedad, la mano invisible que mantiene nuestros pies en el suelo

Imagen Hubble del Profundo Campo de galaxias.

¿O no? Justin Khoury, en la actualidad en la University of Pennsylvania en Filadelfia, y sus colegas Niayesh Afshordi y Ghazal Geshnizjani del Instituto Perimeter para la Física Teórica en Waterloo, Ontario, no están tan seguros. Han hecho una lista con una serie de observaciones cosmológicas que no pueden ser explicadas fácilmente con una medida única de gravedad.

Ellos hacen hincapié en que ninguno de estos efectos, por sí mismo, demuestra que haya algo mal. Pero curiosamente, todos desaparecen si se hace una única suposición, aunque polémica: que la gravedad funciona de un modo que depende de la escala en que se la mire.

Si es correcto, la corazonada tiene consecuencias realmente increíbles. De acuerdo con la teoría, esta gravedad variable sería nuestro primer vislumbre de dimensiones espaciales más allá de nuestras tres dimensiones conocidas e infinitamente grandes, pero que permanecen para siempre ocultas a nosotros. Khoury reconoce que suena extravagante. Pero mientras las anomalías observadas no son explicadas, hay una sensación de que la idea no debería ser desestimada. "El trabajo es creíble, aunque un poco optimista", dice David Spergel, astrofísico con base en la Princeton University. Y curiosamente, la teoría hace predicciones que podemos probar: de modo que si las dimensiones ocultas están ahí, justo debajo de nuestras narices, pronto deberíamos tener la prueba.

La gravedad es una fuerza conocida, sin embargo es profundamente desconcertante. Su historia está vinculada con dos de los nombres más grandes en física, Isaac Newton y Albert Einstein. En 1687, Newton promulgó su ley universal de la gravedad, que dice que dos objetos sienten una fuerza de atracción cuya fuerza aumenta con su masa y disminuye con el cuadrado de la distancia entre ellos: se mide como s-2, donde s es la separación de los cuerpos.

Esta aguda perspicacia intelectual expresaba el movimiento de los planetas, el vuelo de una bala de cañón y la caída de una manzana, todo en una fórmula sucinta. Sin embargo Newton estaba presionado a explicar la naturaleza de una fuerza que parecía ser transportada al instante, y con infalible exactitud, a través del espacio vacío. Fue en 1915, con la teoría general de la relatividad de Einstein, que se encontró una respuesta medianamente convincente.

De acuerdo con la relatividad general, la gravedad surge porque los objetos con masa o energía deforman el espacio y el tiempo a su alrededor, causando que otros objetos caigan hacia ellos. Trabajando a través de la matemática de la nueva teoría, se hizo claro que la ley universal de Newton del cuadrado inverso necesitaba pequeños cambios cuando se trataba de cuerpos particularmente grandes o con movimiento rápido. Con estas modificaciones, podemos predecir los efectos de la gravedad desde la menor escala hasta la escala del Sistema Solar con exactitud asombrosa.

Entonces, si la teoría no está vulnerada, ¿por qué tratar de arreglarla? El problema es que la relatividad general es incompatible con las posteriores teorías cuánticas que describen las otras tres fuerzas de la naturaleza. Estas teorías dicen que la fuerza se logra por un constante intercambio de partículas; por lo tanto, la gravedad debería ser transmitida por una partícula cuántica conocida como un gravitón. La relatividad general no permite esa posibilidad, y por eso los físicos se quedaron buscando un marco mayor que una la gravedad y la teoría cuántica en una "teoría del todo".

Y si le importa mirar las escalas cósmicas muy grandes, no hay ninguna escasez de señales persistentes de que algo no está muy bien con la gravedad. Tome la radiación cósmica de fondo, por ejemplo. Consiste en fotones que han estado acelerando hacia nosotros desde todos lados desde el Big Bang, hace 13.700 millones de años. En el camino, estos fotones pasan a través de grandes cúmulos galácticos, ganando energía a medida que pasan por ellos y perdiéndola otra vez cuando salen por el otro extremo. Esos dos efectos deberían contrarrestarse.

O por lo menos lo harían si la energía oscura no hubiera empezado hace unos cuantos miles de millones de años. Esta forma de gravedad repulsiva es la mejor explicación que tenemos a por qué la expansión del universo parece haberse acelerado en los eones recientes. Uno de sus efectos es disminuir la atracción gravitatoria de una galaxia durante el tiempo que le toma a un fotón pasar por ella, de modo que el fotón se va sin perder toda la energía que ganó al entrar. Esto significa que algunos fotones del fondo que llegan a nosotros deberían estar inesperadamente calientes. Ésa es efectivamente el caso, pero hay un diminuto problema: el aumento de su energía es el doble de la que podemos explicar usando la energía oscura solamente.

Una teoría encaja con todo

Una gravedad más débil, en esas distancias y tiempos lejanos cuando la energía oscura empezó, habría sido superada más fácil y exhaustivamente por la energía oscura. "El efecto trabajaría de la mano con la energía oscura para disminuir la velocidad de agregación de materia", dice Khoury. Los fotones, al pasar a través de las galaxias, estarían relativamente aun más calientes, haciendo que se disperse la discrepancia.

Entonces está el misterio del "flujo oscuro", que ha surgido de sondeos de miles y miles de galaxias distantes. La expansión general del universo significa que la mayor parte de estas galaxias se está alejando de nosotros. Pero en cuanto se tiene en cuenta este efecto, sus velocidades deberían ser determinadas por las condiciones de gravedad local y en un volumen de espacio lo bastante grande deberían cancelarse.

Por desgracia, no es así. A escalas regulares de algunos cientos de millones de años-luz, las galaxias se ven como si estuvieran circulando hacia una gigantesca concentración principal de masa, una tan grande que puede no haberse reunido desde el Big Bang. Se ha propuesto como una primera visión de qué hay más allá del horizonte del universo visible (New Scientific, 24 enero, p 50), pero si la gravedad es más fuerte en estas escalas, la necesidad de unas explicaciones exóticas desaparece. "No sólo una gravedad más fuerte agregaría materia más rápidamente, sino que las galaxias caerían más rápido hacia las concentraciones de materia mejorada", dice Khoury.

Y entonces está el bosque Lyman-alfa. Generosamente dispersas a través del cosmos, son nubes tenues de gas hidrógeno, las precursoras de las galaxias. Absorben la luz en una longitud de onda de 122 nanómetros, creando un declive distintivo en el espectro de luz que penetra a través de ellas conocido como línea Lyman-alfa. Si es que son estacionarias, pero de hecho las diferentes nubes se mueven a velocidades diferentes hacia nosotros o alejándose por la expansión variable del universo a lo largo del tiempo. Estas nubes absorberán luz en longitudes de onda diferentes debido al efecto Doppler, y a la luz que llegará a la Tierra desde fuentes distantes le faltarán muchas porciones. De este bosque de líneas espectrales, los astrónomos pueden deducir la distribución de las nubes de hidrógeno en el espacio. Como las galaxias de flujo oscuro, ellas parecen agruparse de forma más cerrada en escalas regulares que la cosmología estándar puede explicar, otra vez, exactamente como si la gravedad hubiera sido alguna vez una fuerza más fuerte que las mantenía juntas.

Pero espere un momento. Los fotones del fondo cósmicos sugieren una gravedad más débil a una escala; el flujo oscuro y el bosque Lyman-alfa implican una gravedad más fuerte a otra escala. Seguramente, una teoría única no puede explicar ambos casos. Notablemente, eso exactamente es lo que afirman Khoury y sus colegas.

El contexto de su trabajo es una consecuencia de la teoría de cuerdas —la ruta actualmente predilecta para una teoría del todo— conocido como la teoría de la brana. La teoría de cuerdas trata las partículas que forman materia y transmiten fuerza como diminutas cuerdas unidimensionales de masa-energía que vibran en un espacio-tiempo de diez dimensiones, conocido como sustrato. La teoría de la brana va incluso más lejos y describe nuestro universo como un "3-brana", un objeto con tres dimensiones de espacio y uno de tiempo a la deriva en el sustrato. En este escenario, las partículas-cuerdas vibratorias están ancladas firmemente a la brana. O sea, todas ellas excepto los gravitones. Los gravitones son bucles vibratorios de cuerda sin extremos libres para fijar a la brana, de modo que pueden fugar al sustrato. Esta fuga explica por qué la gravedad es intrínsecamente más débil que las otras fuerzas fundamentales.

Dimensión infinita

Esto también podría explicar la gravedad relativamente más débil que los fotones del fondo cósmico parecen haber experimentado. El contexto es un conjunto de teorías de mundos-brana conocido como modelos Dvali-Gabadadze-Porrati (DGP) después de que los tres teóricos en la New York University los sugirieron en 2000. Éstos proponen la existencia de al menos una dimensión de brana exterior que es infinita en tamaño.

Con una dimensión adicional, la gravedad no se ajusta a la separación como s-2, sino como s-3, de modo que si dos objetos se separan el doble de la distancia, su atracción mutua no es cuatro, sino ocho veces más débil. Con dos dimensiones, la reducción es s-4, con tres s-5, etcétera. Los cálculos de Khoury y sus colegas muestran cómo un modelo DGP con dos o tres dimensiones adicionales sería el boleto para reproducir las propiedades gravitatorias del universo como las vemos.

Hay una pregunta obvia: ¿Cómo es que no percibimos estas dimensiones adicionales? Si existen más de tres dimensiones de espacio, ¿por qué persisten nuestros sentidos a limitarnos a tres? Las teorías de cuerdas estándar giran alrededor de este embrollo postulando que las dimensiones adicionales están envueltas en escalas enormemente más pequeñas que un átomo, de modo que no las notamos. Los modelos de brana son más descarados. Usted y yo no vemos las dimensiones adicionales infinitamente grandes porque estamos formados por partículas corrientes de materia que están firmemente ancladas a la brana. Si deseamos imitar a Alicia y trepar a través del espejo para vagar por las dimensiones adicionales que hay detrás, nuestra única oportunidad es reconstituirnos a nosotros mismos con gravitones -las únicas partículas realmente libres.

Todavía hay una objeción importante. Si estas dimensiones adicionales existen realmente, ¿por qué experimentamos la gravedad como lo hacemos, como una ley s? Otra vez, la teoría proporciona una respuesta. Una masa asentada sobre la brana —arraigada en nuestro universo— irradia gravitones en todas direcciones, a lo largo de la brana y hacia el sustrato. Pero la brana es un medio rígido, de modo que se propagan mucho más fácilmente a lo largo de la brana que fuera de ella, algo así como cuando usted golpea una lámina de metal las resonancias se desplazan a lo largo de ella más fácilmente que en el aire circundante. Si usted está en algún lugar cerca de un objeto masivo —como en nuestro Sistema Solar— la gravedad que usted siente será por lo tanto dominada por la de la brana, la gravedad s-2.

Cuanto más lejos esté de una fuente de gravedad, sin embargo, más disminuye esta fuerza. En escalas cósmicas muy grandes, donde la densidad media de materia es mucho más pequeña que en nuestro vecindario, el debilitamiento por la fuga de gravitones se vuelve proporcionadamente más importante, y la sensación de gravedad sobre la brana empieza a separarse notablemente de la ley s-2.

Así que el efecto de las dimensiones ocultas podría explicar muy bien la gravedad más débil requerida por los fotones del fondo cósmicos a escalas más grandes. ¿Pero qué hay de la gravedad más fuerte a escalas intermedias demostrada por el flujo oscuro y el bosque Lyman-alfa? Todo eso, dice la teoría, viene por el comportamiento extraño de los gravitones inmediatamente después de fugar de la brana hacia el sustrato. Sin la lámina rígida de la brana a través de la que se pueden propagar, disminuyen su velocidad, y en efecto adquieren una masa.

Cualquier partícula con masa, por definición, siente la gravedad. De modo que los gravitones que salieron de la brana empiezan a gravitar: a escalas pequeñas, cerca del origen de la masa donde hay muchos de ellos confinados en un espacio pequeño, exclusivamente unos con otros; pero a medida que se separan más dentro del sustrato también con la materia sobre la brana. El resultado es un fortalecimiento a escalas intermedias de la gravedad de la brana, pronosticado por la ley de Newton del cuadrado inverso, aproximadamente un tercio. A escalas cósmicas muy grandes, sin embargo, los gravitones en el sustrato están bastante dispersos, de modo que este fortalecimiento es superado por el efecto mucho mayor de debilitamiento causado por la fuga inicial (ver el diagrama).

Ampliar. Referencias // 1 Cerca de la fuente de la masa, como en nuestro Sistema Solar, domina la gravedad transmitida a través de nuestra "brana" tridimensional. El resultado es la ley del cuadrado inverso, convencional de la gravedad. // 2 A escalas intermedias, la masa de los gravitones que han escapado de la brana y están suspendidos en el sustrato incrementa la fuerza de la sensación de la gravedad sobre la brana. // 3 Sólo a escalas muy grandes, donde la ley del cuadrado inverso en la brana se vuelve más débil, se vuelve más evidente el efecto del filtro de gravitones, mientras la fuerza de la gravedad disminuye más abruptamente con la distancia.

De modo que allí tiene todo: una teoría que tanto puede explicar la gravedad anormalmente débil como gravedad anormalmente fuerte. ¿Va a atar todos los cabos sueltos de la cosmología actual? Quizás, dice Jim Peebles de la Princeton University. "Es un montón de ideas", dice, algo que por derecho no debería funcionar, pero podría. "No voy a ignorar la idea, pero no le apostaría nada, tampoco".

La objeción más significativa es que ninguno de los efectos anómalos que Khoury y sus colegas salieron a explicar son en sí mismos particularmente importantes. Con más y mejores datos podrían desaparecer por propio acuerdo, o no. "Una secuencia de pequeños trozos de evidencia puede ser una señal poderosa de una nueva física, quizás muy cerca a lo que este grupo ha descrito", dice Glenn Starkman de la Case Western Reserve University en Cleveland, Ohio. "El desafío es mejorar las observaciones", dice Khoury. "Si las anomalías no desaparecen, estaremos sobre terreno más seguro".

Podría haber otras pruebas inmediatas. De acuerdo con la relatividad general, la luz y la materia sienten la gravedad del mismo modo: ambas siguen las mismas trayectorias alrededor de objetos masivos determinadas por su comba del espacio-tiempo. Pero cualquier teoría pura de la gravedad como la gravedad variable de Khoury afecta solamente a la materia. De modo que demostrar la existencia de dimensiones ocultas podría ser tan simple como observar la curvatura —"lente gravitatoria"— de la luz de una fuente distante mientras pasa por un cúmulo galáctico camino a la Tierra, y de esa manera deducir la masa del cúmulo. Si entonces podemos medir la atracción gravitatoria sobre un segundo cúmulo —por ejemplo, por qué tan rápido está arrastrando al segundo cúmulo hacia él— podemos obtener un segundo cálculo de masa, aproximado e independiente.

Si las dimensiones ocultas están modificando la gravedad, los dos cálculos aproximados serán diferentes en un 20 a 30%, dice Khoury. Las actuales mediciones de cúmulos galácticos no son suficientemente exactas para determinar con precisión un efecto de este tamaño, pero la actual generación de sondeos debería entregar una respuesta definitiva dentro de los próximos 10 años.

Incluso si obtenemos pruebas de que las otras dimensiones existen, estaríamos bien lejos de entrar en ellas alguna vez. Sin embargo, sería una asombrosa señal de que incluso la materia de que estamos hechos nos engaña en nuestra percepción del universo.

Todo es un lejano rumor de ese día en una granja en la Lincolnshire del siglo XVII cuando, en la apócrifa escena amada por los caricaturistas, una manzana que caía despertó la idea de la gravitación universal en la cabeza de Newton. Khoury está contando con lo que también es aplicable a las manzanas que validan la teoría de Newton: Lo que sube debe, finalmente, bajar.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard