jueves, 10 de enero de 2013

BitNavegantes




Posted: 09 Jan 2013 05:14 AM PST
Referencia: Science.Daily.com
por by Daniel Stolte, 8 de enero 2013

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


Con las primeras explosiones de bombas atómicas, el mundo se convirtió en testigo de uno de los principios más importantes y emergentes en la física: la energía y la masa, básicamente hablando, son lo mismo y pueden, de hecho, convertirse una en otra. Esto es lo que demostraba por primera vez la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein, y lo expresaba en su emblemática y famosa ecuación, E=mc2, donde E representa la energía, m la masa, y c la velocidad de la luz (al cuadrado).

Aunque los físicos desde entonces han revalidado 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 sugerido que E=mc 2, no funcionaría en determinadas circunstancias.

La clave del argumento de Lebed radica en el concepto mismo 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 otorgada a dicho objeto por un campo gravitatorio. En términos simples, la primera definición, que también se llama masa inercial, es lo que causa que el guardabarros de un coche se doble en el momento del impacto con otro vehículo, mientras que la segunda definición, llamada masa gravitacional, es lo que comúnmente se conoce como "peso".

Este principio de equivalencia entre la masa inercial y la gravitacional, introducidas 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 dicha ecuación falle debido a la masa gravitatoria", reseñó Lebed.

Si se mide el peso de los objetos cuánticos, como 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 una aparente violación de E=mc2. Esto siempre ha desconcertado a los físicos, aunque podría ser explicado, en contra del paradigma de la física, si la masa gravitacional no fuera lo mismo que la masa inercial.

"La mayoría de los físicos no están de acuerdo con esto, porque creen que la masa gravitacional, es exactamente igual a la masa inercial", señala Lebed. "Pero mi idea es que la masa gravitacional no debe ser igual a la masa inercial debido a algunos efectos cuánticos de la Relatividad General, que es la teoría de la gravitación de Einstein. Hasta donde yo sé, nadie ha propuesto esto antes."

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

Entre tanto, Lebed ha invitado a sus colegas a evaluar sus cálculos sugiriendo un experimento para poner a prueba sus conclusiones, que él ha publicado en la mayor colección del mundo de copias anticipadas en la Cornell University Library (ver Historia).

"El problema más importante en la física es la Teoría Unificadora de Todo, una teoría que pueda describir a todas las fuerzas presentes en la naturaleza", apuntó Lebed. "El problema principal hacia esta teoría es cómo unir la mecánica cuántica relativista y la gravedad. Tratar de hacer una conexión entre los objetos cuánticos y la Relatividad General."

La clave para entender el razonamiento Lebed es la gravitación. Sobre el papel, al menos, demostró que mientras E=mc2 siempre es cierta para la masa inercial, no ocurre siempre con la masa gravitacional. "Lo que esto significa, probablemente, es que la masa gravitatoria no es la mismo que la inercia."

Según Einstein, la gravedad es el resultado de una curvatura en el espacio mismo. Pensemos en un colchón de espuma sobre el que yacen varios objetos, por ejemplo, una pelota de ping pong, otra de béisbol y una más de la bolera. La pelota de ping pong no dejará huella 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. La masa del objeto más grande, el más grande creará un hueco dentro del tejido del espacio.

En otras palabras, la masa mayor, la más fuerte es el tirón de la gravedad. En este modelo conceptual de la gravedad, es fácil ver cómo un objeto pequeño, como puede ser un asteroide errante por el espacio, dado el caso se quedará atrapado en el hueco de un planeta, atrapado en su campo gravitacional. "El espacio está curvado", dijo Lebed, "y cuando una masa se mueve 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 sugerió 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. Dado 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 de alrededor del núcleo del átomo salta a un nivel de energía superior, lo que 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 la E=mc2, la masa del átomo de hidrógeno cambiaría a la par que el 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?
Lo has adivinado, el electrón ya no podría saltar a niveles de energía más altos, porque en un espacio plano se limitaría a su nivel de energía primaria. No hay saltos en el espacio plano.

"En este caso, el electrón puede ocupar únicamente el primer nivel del átomo de hidrógeno," explicaba Lebed. "Ya no siente la curvatura de la gravitación".
"Entonces volvemos 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 sus resultados nada tienen que ver, porque la curvatura sigue siendo la misma, por lo que no hay ninguna perturbación", continuó Lebed. "Lo que no han tenido en cuenta 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, queremos detectar estos eventos de conmutación de energía, lo cual nos darían a conocer cómo se emitten fotones, básicamente, la 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 hacia el espacio. Una vez en el espacio exterior, la relación entre la masa y la energía es el misma para el átomo, pero, sólo porque el espacio plano no permite que el electrón pueda cambiar de nivel de energía.

"Cuando estemos cerca de la Tierra, la curvatura del espacio perturba el átomo, y hay una probabilidad de que el electrón pueda saltar, 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 unas dos o tres veces el radio de la Tierra, con eso podría funcionar."

Según él mismo dice, su trabajo es la primera proposición 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 el matrimonio 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 dicho matrimonio como una especie de monstruo. Me gustaría probar este matrimonio. Quiero ver si funciona o no."


- Fuente: University of Arizona, (2013, January 8). Testing Einstein's famous equation E=mc2 in outer space. ScienceDaily. Retrieved January 9, 2013,
- Imagen: crédito de la illustration de la NASA.