ESPACIO-tiempo: desde los griegos a Gravity Probe B 4

Pruebas de Einstein

Un trabajo sin terminar:

Movimiento de una estrella alrededor del centro galáctico,

demostrando que Sagitario A * es un agujero negro

(adaptado de Schödel et al, naturaleza, 17 de octubre de 2002)

 

La teoría de la relatividad general de Einstein ha pasado todas las pruebas que como nunca se ha puesto. Sin embargo, hay al menos cuatro buenas razones para pensar que la teoría es incompleta y eventualmente tendrá que ser derrocado en igual que forma que lo fue Newton. En primer lugar, la relatividad general predice su propia desaparición; descompone en singularidades, regiones donde la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita y ya no se pueden aplicar las ecuaciones de campo. Estos no pueden ser despedidos como meras Curiosidades académicas, porque al parecer ocurren en el universo real si sostiene la relatividad general. El trabajo teórico de Stephen Hawking y otros ha demostrado que las singularidades deben formarse dentro de un tiempo finito (el universo es necesariamente "geodésicamente incompleto"), dada la hipótesis sólo muy genéricos como la positividad de la energía. Dos lugares donde esperamos encontrarlos son en el big bang y dentro de los agujeros negros como el del centro de la Vía Láctea. Si vamos a comprender estos fenómenos, la relatividad general debe ser modificada o ampliada de alguna manera.

 

En segundo lugar, está la cuestión de la cosmología. Bajo las hipótesis razonables que el universo en gran escala es homogéneo e isótropo (el mismo en todos los lugares y en todas las direcciones), según lo sugerido por la observación en combinación con el principio copernicano, la relatividad general ha llevado a la creación de una teoría cosmológica, conocida como la teoría del big bang. Esta teoría ha tenido algunos éxitos espectaculares; por ejemplo, la predicción de la radiación de fondo cósmico de microondas, el cálculo de la abundancia de elementos ligeros y una base para entender el origen de la estructura del universo. También tiene algunas deficiencias, en particular relacionados con condiciones iniciales finamente sintonizadas ( Los prblemas de la "llanura" y "horizonte ").

 

La Galaxia de fondo (azul) siendo gravitacionalmente

gravitacional por materia oscura en el clúster de primer plano

CL 0024 + 1654 (amarillo) (imagen del telescopio espacial Hubble)

 

Más inquieta, en las últimas décadas se ha vuelto imposible que coincidan las predicciones del big-bang con observación a menos que la fina densidad de materia observada en el universo (es decir, que puede ser visto por la emisión o absorción de luz, o inferir de consistencia con la síntesis de elementos ligeros) se complementa con cantidades mucho más grandes de la invisible materia oscura y energía oscura que no puede consistir en nada en el modelo estándar de física de partículas. Las observaciones son muy claras: la materia oscura exótica requiere tener una densidad de unas cinco veces que de la materia de modelo estándar, y la energía oscura requerida tiene una densidad de energía unas tres veces mayor todavía. Hasta la fecha, no existe evidencia experimental directa de la existencia de cualquiera de los componentes, y hay fuertes razones teóricas (el "constante problema cosmológico") a ser sospechosas la energía oscura en particular. No hay también explicación convincente de por qué dos nueva y como- aún incumplidas formas de materia-energía deberían corresponder tan estrechamente en la densidad de la energía ("el problema de la coincidencia"). Si bien la mayoría de los cosmólogos parece dispuesto a aceptar la materia oscura y energía oscura como necesarias, si es poco elegante hechos de la vida, otros están empezando a interpretarlos como posible evidencia de un desglose de la relatividad general en aceleraciones a distancias grandes o pequeñas .

 

En tercer lugar, las pruebas existentes de la relatividad general se han limitado a campos gravitacionales débiles (o moderado que en el caso de los púlsares binarios). Grandes sorpresas en este régimen habría sido sorprendentes, ya que la teoría de Einstein supera a Newton en el límite del campo débil, y sabemos que la gravedad newtoniana funciona razonablemente bien. Pero sorpresas son muy posible y probable incluso que, en el régimen de campo fuerte. La razón de por qué está estrechamente relacionada con la cuarta motivación para continuar probando la teoría de Einstein: la relatividad general, tal como está, es incompatible con el resto de la física (es decir, el "modelo estándar" basado en la teoría cuántica de campos). El problema sólo es en parte debido a que el campo gravitatorio transporta energía y atrae así "a sí mismo"; Esto hace que la teoría no lineal y más difícil, pero no necesariamente imposible de cuantificar. (Campos de yang-Mills también poseen self-acoplamientos pero son perfectamente quantizable.) El problema más profundo no es la no linealidad pero la re-normalización, que es inherente a la dimensionalidad física de la gravedad propia (es decir, en el hecho de que el campo gravitatorio parejas de masa en lugar de cualquier otro tipo de "carga"). En el lenguaje de la teoría del campo, la cuantización de la gravedad requiere un número infinito de parámetros de renormalización. Se cree ampliamente que nuestras actuales teorías de gravedad o las otras interacciones son sólo aproximadas "eficaces campo teorías" que eventualmente se verá como limitar los casos de una teoría unificada en la que todas las cuatro fuerzas sean comparables en fuerza a muy altas energías. Pero no existe consenso acerca de si es la relatividad general o la física de partículas — o ambos — que debe ser modificadas, hablemos de cómo. La entrada experimental puede ser nuestra única guía a la unificación, el último gran problema restante en física teórica.

 

El principio de equivalencia

 

Experimentos gravitacionales pueden dividirse en dos tipos: los que prueban los principios fundamentales y los que prueban teorías individuales, incluyendo la relatividad general. Los principios fundamentales incluyen tales axiomas básicos como invarianza de posición local (o LPI; el resultado de cualquier experimento debe ser independiente de donde o cuando se realiza) e invariancia local de Lorentz (o LLI; el resultado de cualquier experimento debe ser independiente de la velocidad del marco de referencia de caída libre en el que se realiza), que no discutiremos aquí. El principio fundamental de la relación física más directa a la relatividad general es el principio de equivalencia, que afirma que la gravitación es localmente equivalente a aceleración. En términos prácticos, que esto significa que debe seguir la caída de los cuerpos diferente la misma trayectoria en el mismo campo gravitacional, independiente de su estructura interna o masa, siempre que sean pequeños y no perturben el ambiente o ser afectados por las fuerzas de marea. Para probar este principio, uno hace caer objetos de masa diferente o de composición en el mismo campo gravitatorio y busca las diferencias en la tasa de caída. Estos experimentos tienen una larga y fascinante historia.

El filósofo griego Aristóteles no vio ninguna necesidad de hacerlo en absoluto; él sabía que por la razón que una masa mayor "debe" caer más rápidamente que una luz, ya que es la naturaleza de los elementos similares a la Tierra tratando de llegar hacia el centro del Universo. Tal fue su autoridad que no existen registros de que alguien realmente probara esta predicción hasta casi diez siglos más tarde (siglo VI) cuando el erudito bizantino John Philoponus escribió en un comentario sobre Aristóteles: "si dejas caer desde los misma pesos de altura dos de los cuales uno es muchas veces tan pesado como el otro, se verá que la proporción de veces que sea necesario para el movimiento no depende de la proporción de los pesos pero que la diferencia de tiempo es una muy pequeña "(la cursiva). Primero para describir un experimento real en el sentido moderno fue flamenco ingeniero Simon Stevin (1548/9-1620)(Foto izquierda), quien escribió en 1586: mi experiencia contra Aristóteles es la siguiente. Permítanos tomar... dos esferas de plomo, 1:10 veces más grande y más pesado que el otro y colóquelos juntos desde una altura de 30 pies sobre una tabla... A continuación, se encontrará que el encendedor no será diez veces más en su camino a los más pesados, pero que caerán juntos en el tablero por lo que al mismo tiempo que sus dos sonidos parecen ser como uno"(la cursiva). Algunos años más tarde Galileo Galilei (1564-1642)(Foto cuadro derecha) describió un experimento similar con una bala de cañón y una bola de mosquete. Contrariamente a la creencia casi universal, él no reclamó hayan caído estas bolas desde la torre inclinada de Pisa; esa historia proviene de su pupilo y biógrafo y su autenticidad está lejos de ser cierta. Lo cierto es que Galileo comprendió la importancia de esta prueba mejor que cualquiera antes que él. Utiliza una variedad de materiales incluyendo oro, plomo, cobre y piedra y mejorado el experimento haciendo rodar sus masas de prueba hacia abajo de las tablas inclinadas (para diluir la gravedad) y, finalmente, mediante el uso de péndulos (para reducir la fricción). En los discursos y demostraciones sobre dos nuevas ciencias matemáticas (1638), concluyó que "si uno puede quitar totalmente la resistencia del medio, todas las sustancias caería a velocidades iguales".

 

Nota Quelonia: Si de algo sirvió que un ser humano llegara a la Luna es justamente cuando un Astronauta deja caer una pluma y una piedra y se cumple esto.

 

Muchas personas han mejorado en estas pruebas ya que, en particular de Isaac Newton (1643-1727)(Izquierda) y Loránd Eötvös (1848-1919)(Derecha). Newton mejoró en experimentos de péndulo de Galileo y percibe con brillo característico que cuerpos celestes también podrían servir como prueba de masas (en particular, que comprueba que la Tierra y Luna, así como Júpiter y sus satélites, caen hacia el Sol a la misma velocidad). La idea de Newton fue reintroducida por Kenneth Nordtvedt, en la década de 1970, como una prueba del principio de equivalencia, y ahora proporciona uno de los dos límites más fuertes sobre las posibles violaciones de equivalencia: la Tierra (con un núcleo de níquel-hierro) y la Luna (compuesta principalmente de silicatos, como el manto terrestre) caen hacia el Sol con aceleraciones que difieran por no más de 3 piezas en 1013. Esta precisión es posible de ver por el láser lunar que van de las mediciones que hacen uso de reflectores dejados sobre la superficie lunar por los astronautas de Apolo.

 

La innovación de Eötvös fue a introducir el uso de la balanza de torsión, lo que permitió una mejora en la sensibilidad de seis órdenes de magnitud más las pruebas del péndulo de Newton, alcanzando una precisión de 5 partes en 109. Las balanzas de torsión siguen siendo la base de los límites terrestres mejores sobre las violaciones del principio de equivalencia de hoy; los mejores de dichos límites (por Eric Adelberger y sus colaboradores) son idénticos a los obtenidos desde el método celeste y límite que cualquier diferencia entre las aceleraciones de prueba diferentes masas a menos de 3 piezas en 1013. Otros tipos de experimentos de principio de equivalencia mediante interferometría de átomo de láser para medir diferencias en la tasa de caída de isótopos de distinta masa atómica pueden alcanzar incluso una mayor precisión en el futuro. Sin embargo, las pruebas en la Tierra del principio de equivalencia están sujetas a limitaciones fundamentales impuestas por ruido sísmico, efectos de marea y sistemáticas incertidumbres en el modelado lunar. Es probable que más aumentos significativos en la precisión serán necesario entrar en el espacio.

 

Un experimento, la prueba de satélite del principio de equivalencia (paso), está actualmente en desarrollo en la Universidad de Stanford con una sensibilidad de diseño de una parte en 1018, una mejora de más de cinco órdenes de magnitud sobre los límites actuales. En este nivel, un experimento de principio de equivalencia es capaz de probar no sólo la relatividad general, pero también teorías que van más allá y tratan de unificar la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza, incluidas las versiones de la gravedad cuántica, cosmología teoría y quintaesencia de cadena. Algunas de las tecnologías claves que han sido probadas por Gravity Probe B, incluyendo control libre de arrastre y un sistema de lectura que se basa en calamares (dispositivos de interferencia cuántica superconductora) heredará el paso.

 

Crédito: Gravity Probe B

 

Traducción: El Quelonio Volador