Probando si se cumple la ecuación E=mc2 de Einstein en el espacio exterior

Andrei Lebed, físico de la Universidad de Arizona, provoca a la comunidad de físicos con una idea intrigante que aún debe ser probada experimentalmente: la ecuación más emblemática del mundo, la E=mc2 de Albert Einstein, puede ser correcta o no dependiendo en qué lugar del espacio te encuentres

Con las primeras explosiones de bombas atómicas, el mundo fue testigo de uno de los principios más importantes y de más consecuencias en la física: la energía y la masa, hablando a nivel fundamental, son la misma cosa y pueden, de hecho, convertirse una en otra.

Esto fue demostrabo por primera vez en la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein, y expresado en su emblemática y famosa ecuación, E=mc2, donde E representa la energía, m la masa, y c la velocidad de la luz (elevada al cuadrado).

Aunque los físicos han validado desde entonces esta ecuación en innumerables experimentos y cálculos, y muchas tecnologías, como los teléfonos móviles y la navegación GPS, dependen de ella, el profesor de física Andrei Lebed ha desafiado diciendo que E=mc2 podría no funcionar en determinadas circunstancias.

La clave del argumento de Lebed radica en el mismo concepto de masa. Según el paradigma aceptado, no hay ninguna diferencia entre la masa de un objeto en movimiento, definida en términos de su inercia, y la masa que le otorga a dicho objeto un campo gravitatorio. En términos simples, la definición original, que también se llama masa inercial, es lo que causa que el guardabarros de un coche se hunda en el momento del impacto con otro vehículo, mientras que la segunda, llamada masa gravitacional, es lo que comúnmente se conoce como «peso».

Este principio de equivalencia entre la masa inercial y la gravitacional, introducido en la física clásica por Galileo Galilei y en la física moderna por Albert Einstein, se ha confirmado con un nivel muy alto de precisión. «Pero mis cálculos demuestran que más allá de una cierta probabilidad, hay una posibilidad muy pequeña, pero real, de que esta ecuación no se cumpla debido a la masa gravitatoria», dijo Lebed.

Si uno mide el peso de los objetos cuánticos, por ejemplo un átomo de hidrógeno, con bastante frecuencia el resultado será el mismo en la gran mayoría de los casos, sin embargo, una pequeña parte de estas mediciones darán una lectura diferente, en lo que parece una violación de E=mc2. Esto desconcierta a los físicos, aunque podría ser explicado si la masa gravitacional no fuera lo mismo que la masa inercial, lo cual es un paradigma de la física.

«La mayoría de los físicos no están de acuerdo con esto, porque creen que la masa gravitacional es exactamente igual a la masa inercial», dice Lebed. «Pero mi punto es que la masa gravitacional puede no ser igual a la masa inercial debido a algunos efectos cuánticos en Relatividad General, que es la teoría de la gravitación de Einstein. Por lo que sé, nadie ha propuesto esto antes.»

Lebed presentó sus cálculos y las derivaciones de ellos en la Marcel Grossmann Meeting en Estocolmo, el verano pasado, donde la comunidad los recibió con igual dosis de escepticismo y de curiosidad. Realizada cada tres años, con la asistencia de cerca de 1.000 científicos en todo el mundo, la conferencia se centra en la Relatividad General teórica y experimental, la astrofísica y las teorías de campo relativistas. Los resultados de Lebed serán publicados en las actas del Congreso en febrero.

Mientras tanto, Lebed ha invitado a sus colegas a evaluar sus cálculos y sugirió un experimento para poner a prueba sus conclusiones, que él publicó en la mayor colección del mundo de adelantos en la Cornell University Library.

«El problema más importante en la física es la Teoría Unificada del Todo; una teoría que pueda describir a todas las fuerzas presentes en la naturaleza», dijo Lebed. «El problema principal en contra de esta teoría es cómo unir la mecánica cuántica relativista y la gravedad. Yo traté de hacer una conexión entre los objetos cuánticos y la Relatividad General.»

La clave para entender el razonamiento de Lebed es la gravitación. En el papel, al menos, demostró que mientras E=mc2 siempre es cierta para la masa inercial, no se cumple siempre con la masa gravitacional.

«Es probable que lo que esto significa es que la masa gravitatoria no es lo mismo que la inercia.»

Según Einstein, la gravedad es el resultado de una curvatura del propio espacio. Pensemos en un colchón de espuma sobre el que se han puesto varios objetos, por ejemplo una pelota de ping pong, otra de béisbol y una más de bowling. La pelota de ping pong no dejará una marca visible, la de béisbol dejará una muy pequeña y el bolo se hundirá en la espuma. Las estrellas y planetas hacen lo mismo con el espacio. Cuanto mayor sea la masa del objeto, más grande será el hueco creado en el tejido del espacio.

En otras palabras, a más masa, más fuerte el tirón de la gravedad. En este modelo conceptual de la gravedad, es fácil ver cómo un objeto pequeño, como puede ser un asteroide que erra por el espacio, al darse la situación quedará atrapado en el hueco de un planeta, atrapado en su campo gravitacional.

«El espacio tiene curvatura», dijo Lebed, «y cuando uno mueve la masa en el espacio, esta curvatura altera este movimiento.»

Según el físico de UA, esta curvatura del espacio es lo que hace diferente a la masa gravitacional de la masa inercial.

Lebed sugirió probar su idea midiendo el peso del objeto cuántico más simple, un átomo de hidrógeno, que consiste sólo de un núcleo, un protón y un electrón solitario en órbita alrededor del núcleo.

Debido a que él espera que el efecto sea extremadamente pequeño, se necesitaría una gran cantidad de átomos de hidrógeno.

Esta es la idea:

En raras ocasiones, el electrón que gira alrededor del núcleo del átomo salta a un nivel de energía superior, lo cual —aproximadamente— se puede considerar como una órbita más amplia. En un corto período de tiempo, el electrón vuelve a su nivel de energía anterior. Según E=mc2, la masa del átomo de hidrógeno cambiaría junto al cambio en el nivel de energía.

Hasta ahora, todo bien. Pero, ¿qué pasaría si trasladamos ese mismo átomo a una distancia de la Tierra donde el espacio ya no esté curvado, sino plano?

Usted adivinó: el electrón no podría saltar a niveles de energía más altos, porque en un espacio plano quedaría limitado a su nivel de energía primaria. No se dan saltos en el espacio plano.

«En este caso, el electrón sólo puede ocupar el primer nivel del átomo de hidrógeno,» explicó Lebed. «Ya no siente la curvatura de la gravitación».

«Entonces nos acercamos al campo gravitacional de la Tierra, y debido a la curvatura del espacio, hay una probabilidad de que el electrón salte desde el primer nivel al segundo. Y ahora su masa será diferente.»

«Se han hecho cálculos de los niveles de energía aquí en la Tierra, pero los resultados siguen siendo iguales, porque la curvatura sigue siendo la misma, por lo que no hay ninguna perturbación», dijo Lebed. «Lo que no han tenido en cuenta antes es que los electrones pueden saltar desde el primero hasta el segundo nivel porque es la misma curvatura la que perturba el átomo.»

«En lugar de medir el peso directamente, deberíamos detectar estos sucesos de cambio de energía, lo cual se nos haría evidente al emitirse fotones, básicamente, luz», explicó.

Lebed sugirió el siguiente experimento para poner a prueba su hipótesis: Enviar una pequeña nave espacial con un tanque de hidrógeno y un fotodetector sensible en un viaje espacial.

En el espacio exterior, la relación entre la masa y la energía es el misma para el átomo, pero es porque el espacio plano no permite que el electrón pueda cambiar de nivel de energía.

«Cuando estamos cerca de la Tierra, la curvatura del espacio perturba el átomo y hay una probabilidad de que el electrón salte, con lo que emitirá un fotón que quedará registrado por el detector», añadió.

Dependiendo del nivel de energía, la relación entre masa y energía ya no está fijada bajo la influencia de un campo gravitatorio.

Lebed dijo que la nave no tendría que ir muy lejos.

«Tendríamos que enviar la sonda a unas dos o tres veces el radio de la Tierra, así podría funcionar.»

Según Lebed, su trabajo es la primera propuesta para probar la combinación de la mecánica cuántica y la teoría de la gravedad de Einstein en el Sistema Solar.

«No hay pruebas directas sobre la unión de estas dos teorías», dijo. «Es importante, no sólo desde el punto de vista de que la masa gravitatoria no sea igual que la masa inercial, sino también porque muchos ven esta unión como una especie de monstruo. Me gustaría probar esta unión. Quiero ver si funciona o no.»

Artículo original: University of Arizona (8 de enero de 2013. Testing Einstein’s famous equation E=mc2 in outer space.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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