Los investigadores utilizaron un satélite en órbita alrededor de la Tierra para llevar a cabo una prueba ultraprecisa de una premisa central de la teoría general de la relatividad de Einstein, que es la teoría moderna de la gravedad.
La pregunta es si dos tipos diferentes de masa, gravitacional e inercial, son idénticos. Los científicos encontraron que dos objetos a bordo del satélite cayeron hacia la Tierra al mismo ritmo, con una precisión de una parte en un cuatrillón. Esta prueba exitosa de la teoría de Einstein tiene implicaciones sustanciales para los misterios cósmicos actuales, por ejemplo, la cuestión de si existen la materia oscura y la energía oscura.
Engañando a los antiguos
La gravedad es la fuerza que mantiene unido al Universo, tirando de galaxias distantes y guiándolas en una eterna danza cósmica. La fuerza de la gravedad se rige en parte por la distancia entre dos objetos, pero también por las masas de los objetos. Un objeto con más masa experimenta más gravedad. El nombre técnico de este tipo de masa es “masa gravitacional”.
La masa tiene otra propiedad, que se podría llamar inercia. Esta es la tendencia de un objeto a resistir cambios en el movimiento. En otras palabras, las cosas más masivas son más difíciles de mover: es más fácil empujar una bicicleta que un automóvil. El nombre técnico de este tipo de masa es “masa inercial”.
No hay razón a priori para suponer que la masa gravitatoria y la masa inercial son lo mismo. Uno gobierna la fuerza de la gravedad, mientras que el otro gobierna el movimiento. Si fueran diferentes, los objetos pesados y livianos caerían a diferentes velocidades y, de hecho, los filósofos de la antigua Grecia observaron que un martillo y una pluma caen de manera diferente. Los objetos pesados ciertamente parecen caer más rápido que los livianos. Ahora sabemos que la resistencia del aire es la culpable, pero eso apenas era obvio en el pasado.
La situación se aclaró en el siglo XVII, cuando Galileo realizó una serie de experimentos usando rampas y esferas de diferentes masas para demostrar que objetos de diferentes masas caen a la misma velocidad. (Su experimento frecuentemente citado de dejar caer bolas desde la Torre de Pisa es probablemente apócrifo.) Y en 1971, el astronauta David Scott repitió de manera convincente el experimento de Galileo en la Luna sin aire, cuando dejó caer un martillo y una pluma, y cayeron de manera idéntica. Los antiguos griegos habían sido engañados.
Conjetura oscura
La afirmación de que la masa inercial y la gravitacional son lo mismo se conoce como el principio de equivalencia, y Einstein incorporó la equivalencia a su teoría de la gravedad. La relatividad general predice con éxito cómo caen los objetos en la mayoría de las circunstancias, y la comunidad científica la acepta como la mejor teoría de la gravedad.
Sin embargo, “la mayoría” de las circunstancias no significa “todas”, y las observaciones astronómicas han revelado algunos misterios desconcertantes. Por un lado, las galaxias giran más rápido que sus estrellas y los gases dentro de ellas pueden explicar o explicar la teoría de la gravedad de Einstein. La explicación más aceptada para esta discrepancia es la existencia de una sustancia llamada materia oscura, materia que no emite luz. Otro enigma cósmico es la observación de que la expansión del Universo se está acelerando. Para explicar esta rareza, los científicos han postulado que el Universo está lleno de una forma de gravedad repulsiva llamada energía oscura.
Sin embargo, estos son asuntos de conjetura informada. Puede ser que no entendamos completamente la gravedad o las leyes del movimiento. Antes de que podamos confiar en que la materia oscura y la energía oscura son reales, debemos validar la teoría de la relatividad general de Einstein con una precisión muy alta. Para hacer eso, necesitamos demostrar que el principio de equivalencia es verdadero.
Si bien Isaac Newton probó el principio de equivalencia en el siglo XVII, los esfuerzos modernos son mucho más precisos. En el siglo XX, los astrónomos hicieron rebotar los láseres en los espejos que los astronautas del Apolo habían dejado en la Luna para demostrar que la masa inercial y la gravitacional son iguales con una precisión de una parte en 10 billones. Ese logro fue impresionante. Pero el experimento más reciente fue aún más lejos.
La relatividad general pasa otra prueba
Un grupo de investigadores llamado MicroSCOPE Collaboration lanzó un satélite al espacio en 2016. Había cilindros de titanio y platino a bordo, y la intención de los científicos era probar el principio de equivalencia. Al colocar su aparato en el espacio, aislaron el equipo de las vibraciones y las pequeñas diferencias gravitatorias creadas por las montañas cercanas, los depósitos subterráneos de petróleo y minerales, y similares. Los científicos monitorearon la ubicación de los cilindros usando campos eléctricos. La idea es que si los dos objetos orbitaran de manera diferente, necesitarían usar dos campos eléctricos diferentes para mantenerse en su lugar.
Lo que encontraron fue que los campos eléctricos requeridos eran los mismos, lo que les permitió determinar que cualquier diferencia en la masa inercial y gravitacional era menos de una parte en un cuatrillón. Esencialmente, hicieron una validación precisa del principio de equivalencia.
Si bien este es un resultado esperado desde el punto de vista de la relatividad general, tiene consecuencias muy importantes para el estudio de la materia oscura y la energía oscura. Si bien esas ideas son populares, algunos científicos creen que las nuevas teorías de la gravedad pueden explicar mejor las propiedades de rotación de las galaxias. Muchas de estas teorías alternativas implican que el principio de equivalencia no es del todo perfecto.
La medición MicroSCOPE no vio ninguna violación del principio de equivalencia. Sus resultados descartan algunas teorías alternativas de la gravedad, pero no todas. Los investigadores están preparando un segundo experimento, llamado MicroSCOPE2, que debería ser unas 100 veces más preciso que su predecesor. Si ve desviaciones del principio de equivalencia, dará a los científicos una guía crucial para desarrollar nuevas y mejores teorías de la gravedad.
Con información de Phys.org
