Suplantando a Einstein

Un experimento de física a bordo de la Estación Espacial Internacional podría ayudar a encontrar la gran 'Teoría del Todo', que unificaría los conceptos actuales sobre el mundo que nos rodea.

Marzo 26, 2004:  Tarde o temprano, el reinado de Einstein, como el de Newton antes que él, terminará. La mayoría de los científicos creen que una revolución en el mundo de la física, que derrocará nuestra noción de la realidad básica, es inevitable, y actualmente está en marcha una carrera entre varias teorías que compiten por ser las sucesoras al trono.

En esta carrera participan ideas como las de un universo con 11 dimensiones; constantes universales (como la de la fuerza de la gravedad) que varían con el espacio y el tiempo y sólo permanecen realmente fijas en una quinta dimensión invisible; cuerdas vibrantes infinitesimales como constituyentes de la realidad y una tela de espacio y tiempo que no es suave y continua, como Einstein creía, sino que está dividida en trozos discretos e indivisibles de tamaño casi inexistente. En última instancia, la experimentación determinará cuál de ellas triunfará.

Derecha: De acuerdo con la teoría de la Relatividad General de Einstein, la gravedad del Sol hace que la luz de las estrellas se curve, cambiando la posición aparente de las estrellas en el firmamento.

Un nuevo concepto de experimento para probar las predicciones de la Relatividad de Einstein, con más precisión que nunca antes, está siendo desarrollado por científicos en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA (JPL). Su misión, la cual utiliza nuestro Sistema Solar como un laboratorio gigante, podría ayudar a reducir el campo de teorías competidoras y nos acercaría un paso más a la próxima revolución en la física.

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Aunque no sea un tema de gran interés para la mayoría de la gente, un gran cisma ha plagado nuestra comprensión fundamental del universo. Actualmente existen dos formas de explicar la naturaleza y comportamiento del espacio, tiempo, materia y energía: La Relatividad de Einstein y el "Modelo Estándar" de mecánica cuántica. Ambas son extremadamente acertadas en su campo de aplicación. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS), por ejemplo, no sería posible sin la Teoría de la Relatividad. Los computadores, las telecomunicaciones e Internet, sin embargo, se derivan de la mecánica cuántica.

Las dos teorías son como dos lenguajes distintos, y aún no se está seguro de cómo traducir de una a otra. La relatividad explica la gravedad y el movimiento, uniendo el espacio y el tiempo en una tela elástica de realidad dinámica de cuatro dimensiones llamada espacio-tiempo, la cual se curva y se comba por la energía que contiene. (La masa es una forma de energía, por lo tanto crea gravedad al curvar el espacio-tiempo). La mecánica cuántica, por el contrario, asume que el espacio y el tiempo forman un "escenario" plano e inmutable en el cual se desarrolla el drama de distintas familias de partículas. Estas partículas pueden moverse hacia adelante y hacia atrás en el tiempo (algo que la relatividad no permite), y las interacciones entre estas partículas explican las fuerzas básicas de la naturaleza -- con la manifiesta excepción de la gravedad.

Izquierda: Los astrónomos utilizan las propiedades de la curvatura de la luz por la gravedad para observar las galaxias muy distantes -- tales como las figuras arqueadas en esta imagen -- en una técnica llamada "lente gravitacional" [más información]

Estas dos teorías han estado en su punto muerto durante décadas. La mayoría de los científicos asumen que, de algún modo, con el tiempo, una teoría unificadora será desarrollada y sustituirá a las dos, mostrando que la realidad de cada una de ellas puede ajustarse eficazmente en una estructura de realidad simple y que cubra todo el espectro. Esta "Teoría del Todo" afectaría profundamente nuestro conocimiento del nacimiento, evolución y destino final del universo.

Slava Turyshev, un científico del JPL, y sus colegas han pensado en una forma de utilizar la Estación Espacial Internacional (EEI) y dos mini satélites orbitando en el lado lejano del Sol para probar la teoría de la relatividad con una precisión sin precedentes. Su idea, desarrollada en parte con fondos de la Oficina de Investigación Física y Biológica de la NASA, sería tan sensible que podría revelar errores en la teoría de Einstein. De este modo, se obtendrían los primeros datos reales necesarios para distinguir cuál de las Teorías del Todo que compiten, coincide con la realidad y cuáles son sólo elegantes disquisiciones de tablero.

El experimento, llamado Test Astrométrico Láser de Relatividad (Laser Astrometric Test Of Relativity -- LATOR), observaría cómo la gravedad del sol desvía los rayos láser emitidos por los dos mini satélites. La gravedad curva el camino de la luz porque comba el espacio a través del cual la luz está pasando. La analogía estándar para esta comba es imaginar el espacio como una sábana de goma que se estira bajo el peso de los objetos como el Sol. La depresión en la sábana sería la causa de que un objeto (incluso una partícula de luz sin masa) que pasa cerca del Sol se desviase ligeramente de su ruta.

De hecho, fue como resultado de las mediciones de la curvatura de la luz estelar por el Sol, durante un eclipse solar en 1919, cuando Sir Arthur Eddington comprobó por primera vez la teoría de la Relatividad General de Einstein. En términos cósmicos, la gravedad del Sol es bastante débil; el camino del rayo de luz rozando el límite del sol sólo se curvaría 1,75 arcosegundos (un arcosegundo es 1/3.600 grados). Dentro de los límites de la precisión de este equipo de medida, Eddington mostró que la luz estelar se curvaba en efecto esta cantidad -- y de esta manera efectivamente se demostraba la falacia de Newton.

El LATOR mediría esta desviación con mil millones (10⁹) de veces la precisión del experimento de Eddington y 30.000 veces la precisión del récord actual: una medida fortuita utilizando señales de la sonda Cassini en su camino para explorar Saturno.

Arriba: La curvatura del espacio debida a la masa del sol causó que las señales del Cassini se curvasen en su camino a la Tierra [más información]

"Creo que LATOR será un avance importante para la física fundamental", dice Clifford Hill, profesor de física en la Universidad de Washington, quién ha realizado importantes contribuciones a la física post-Newtoniana y no está directamente implicado con el LATOR. "Debemos continuar intentando conseguir mayor precisión en probar la Relatividad General, simplemente porque cualquier tipo de desviación significaría que existe una nueva física de la que antes no éramos conscientes".

Laboratorio Solar

El experimento funcionará de esta manera: Dos satélites pequeños, cada uno de un metro de ancho, serán lanzados en una órbita circunvalando el Sol, aproximadamente a la misma distancia que la Tierra. Este par de mini satélites orbitaría más lentamente que la Tierra, por lo que unos 17 meses después del lanzamiento, los mini satélites y la Tierra estarían en lados opuestos del Sol. Incluso si los dos satélites estuviesen a 5 millones de kilómetros, el ángulo entre ellos tal y como se ve desde la Tierra sería pequeño, alrededor de un grado. Juntos, los dos satélites y la Tierra formarían un delgado triángulo, con rayos láser a sus lados, y uno de esos rayos pasaría cerca del Sol.

Arriba: Un diagrama esquemático de la misión LATOR propuesta.

Turyshev planea medir el ángulo entre los dos satélites utilizando un interferómetro instalado en la EEI. Un interferómetro es un dispositivo que capta y combina rayos de luz. Mediante la medición de cómo las ondas de luz de los dos mini satélites "interfieren" uno con otro, el interferómetro puede medir el ángulo entre los satélites con una precisión extraordinaria: alrededor de 10 milmillonésimas o 0,01 µas (micro-arcosegundo). Cuando la precisión de las otras partes del LATOR se consideren, esto da una precisión para medir cuánta gravedad curva el rayo láser de 0,02 µas para una medición simple.

"La utilización de la EEI nos da unas cuantas ventajas", explica Turyshev. "Para empezar, está por encima de las distorsiones de la atmósfera de la Tierra, y es suficientemente grande para permitirnos instalar las dos lentes del interferómetro bastante lejos (una lente al final de cada panel solar), lo que mejora la resolución y la precisión de los resultados".

Izquierda: El interferómetro será instalado en los paneles solares de la EEI, que rotan automáticamente para encarar al Sol. Imagen cortesía de Slava Turyshev.

Los 0,02 µas de precisión del LATOR son suficientemente exactos para revelar desviaciones de la Relatividad de Einstein pronosticados por las aspirantes a Teoría del Todo, la cual variará desde aproximadamente 0,5 a 35 µas. La coincidencia con las medidas del LATOR sería un gran impulso para cualquiera de esas teorías. Si LATOR no encuentra desviaciones sobre la teoría de la Relatividad de Einstein, la mayoría de las contendientes actuales -- a lo largo de sus 11 dimensiones, de espacio punteado y constantes inconstantes -- sufrirían un golpe fatal y "pasarían" a esa biblioteca polvorienta en el cielo.

Puesto que la misión requiere sólo de tecnologías existentes, Turyshev dice que el LATOR podría estar listo para volar tan pronto como en el año 2009 o 2010. No pasará mucho tiempo, entonces, hasta que el punto muerto en física se rompa y una nueva teoría de la gravedad, espacio y tiempo asuma el trono.

Enlaces a la Red (en inglés)

La Oficina de Investigaciones Físicas y Biológicas (Office of Biological and Physical Research) de la NASA (OBPR) apoya estudios como el de Turyshev para el beneficio de los humanos en el espacio y en la Tierra.

Test Astrométrico Láser de Relatividad (Laser Astrometric Test Of Relativity - LATOR) -- folleto técnico por Turyshev y sus colegas acerca del proyecto LATOR.

Muchas de las candidatas a la "Teoría del Todo" predicen la existencia de un campo escalar que permeabiliza el universo. Einstein primero propuso este campo cuando introdujo la constante
cosmológica. Más tarde cambió de idea y eliminó este término, pero recientemente la idea ha ganado interés entre los físicos. El campo escalar podría estar relacionado con el sorprendente descubrimiento de que la expansión del universo realmente está acelerando, no frenando, como los físicos pensaron previamente. Igual al famoso experimento Michelson-Morley de 1887 que trató de detectar la existencia del "éter", el LATOR será capaz de determinar si el campo escalar existe -- un hallazgo que será fundamental en la Teoría del Todo.

Relatividad de Einstein y Vida Cotidiana -- El físico Clifford Hill explica cómo el Sistema de Posicionamiento Global depende de la Teoría de la Relatividad.

La Teoría del Todo -- artículo acerca de la búsqueda de una teoría que unifique relatividad con mecánica cuántica, por el físico Michio Kaku.

Pasatiempos para Einste -- (Science@NASA) Misión de Sonda de Gravedad B comprobará dos aspectos importantes de la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

El Universo Elegante -- Observe series de 3 horas de PBS de Nova acerca de la búsqueda para encontrar una Teoría del Todo unificadora.

"El estudio de la Misión del Test Astrométrico Láser de Relatividad (LATOR)" es sólo una de las subvenciones para la investigación fundamental física otorgada recientemente por la Oficina de Ciencias Físicas y Biológicas de la NASA.

Teoría de la Relatividad -- Introducción a la Relatividad General, de Wikipedia.