Crédito de imagen: NASA / JPL
Tarde o temprano, el reinado de Einstein, como el reinado de Newton antes que él, llegará a su fin. Una agitación en el mundo de la física que derrocará nuestras nociones de realidad básica es inevitable, la mayoría de los científicos creen, y actualmente hay una carrera de caballos entre un puñado de teorías que compiten por ser el sucesor del trono.
En la carrera hay ideas tan alucinantes como un universo de 11 dimensiones, "constantes" universales (como la fuerza de la gravedad) que varían en el espacio y el tiempo y solo permanecen realmente fijas en una quinta dimensión invisible, cuerdas vibratorias infinitesimales como el constituyentes fundamentales de la realidad, y una estructura de espacio y tiempo que no es suave y continua, como Einstein creía, sino que se divide en trozos discretos e indivisibles de un tamaño extremadamente pequeño. El experimento finalmente determinará qué triunfos.
Los científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA están desarrollando un nuevo concepto para un experimento para probar las predicciones de la relatividad de Einstein con más precisión que nunca. Su misión, que utiliza efectivamente nuestro sistema solar como un laboratorio gigante, ayudaría a reducir el campo de las teorías rivales y nos acercaría un paso más a la próxima revolución en física.
Una casa dividida
Puede que no pese mucho en la mente de la mayoría de las personas, pero un gran cisma ha afectado durante mucho tiempo nuestra comprensión fundamental del universo. Actualmente existen dos formas de explicar la naturaleza y el comportamiento del espacio, el tiempo, la materia y la energía: la relatividad de Einstein y el "modelo estándar" de la mecánica cuántica. Ambos son extremadamente exitosos. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS), por ejemplo, no sería posible sin la teoría de la relatividad. Mientras tanto, las computadoras, las telecomunicaciones e Internet son productos derivados de la mecánica cuántica.
Pero las dos teorías son como diferentes idiomas, y nadie está seguro de cómo traducir entre ellas. La relatividad explica la gravedad y el movimiento al unir el espacio y el tiempo en un tejido de realidad 4 dimensiones, dinámico y elástico llamado espacio-tiempo, que se dobla y deforma por la energía que contiene. (La masa es una forma de energía, por lo que crea gravedad al deformar el espacio-tiempo.) La mecánica cuántica, por otro lado, supone que el espacio y el tiempo forman un "escenario" plano e inmutable en el que se desarrolla el drama de varias 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 evidente excepción de la gravedad.
El estancamiento entre estas dos teorías ha continuado durante décadas. La mayoría de los científicos asumen que de alguna manera, eventualmente, se desarrollará una teoría unificadora que subsume los dos, que muestre cómo las verdades que contienen pueden encajar perfectamente en un marco de realidad único y abarcador. Tal "Teoría de todo" afectaría profundamente nuestro conocimiento del nacimiento, la evolución y el destino final del universo.
Slava Turyshev, un científico de JPL, y sus colegas han pensado en una forma de usar la Estación Espacial Internacional (EEI) y dos mini satélites que orbitan en el lado opuesto del sol para probar la teoría de la relatividad con una precisión sin precedentes. Su concepto, desarrollado en parte a través de fondos de la Oficina de Investigación Biológica y Física de la NASA, sería tan sensible que podría revelar fallas en la teoría de Einstein, proporcionando así los primeros datos duros necesarios para distinguir cuáles de las Teorías del Todo en competencia concuerdan con la realidad y que son meramente elegantes trabajos de tiza.
El experimento, llamado Prueba de relatividad astrométrica con láser (LATOR), vería cómo la gravedad del sol desvía los haces de luz láser emitidos por los dos mini satélites. La gravedad dobla el camino de la luz porque deforma el espacio a través del cual pasa la luz. La analogía estándar para esta deformación del espacio-tiempo por gravedad es imaginar el espacio como una lámina plana de goma que se estira bajo el peso de objetos como el sol. La depresión en la hoja causaría que un objeto (incluso una partícula de luz sin masa) que pasa cerca del sol gire ligeramente a medida que pasa.
De hecho, fue midiendo la inclinación de la luz de las estrellas por el sol durante un eclipse solar en 1919 que Sir Arthur Eddington probó por primera vez la teoría de la relatividad general de Einstein. En términos cósmicos, la gravedad del sol es bastante débil; la trayectoria de un rayo de luz que roza el borde del sol solo se doblará en aproximadamente 1.75 segundos de arco (un segundo de arco es 1/3600 de grado). Dentro de los límites de precisión de su equipo de medición, Eddington demostró que la luz de las estrellas se dobló en esa cantidad, y al hacerlo efectivamente imputó a Newton.
LATOR mediría esta desviación con mil millones (109) veces la precisión del experimento de Eddington y 30,000 veces la precisión del poseedor del récord actual: una medición fortuita usando señales de la nave espacial Cassini en su camino para explorar Saturno.
"Creo que [LATOR] sería un avance bastante importante para la física fundamental", dice Clifford Will, profesor de física en la Universidad de Washington que ha realizado importantes contribuciones a la física post-newtoniana y no está directamente involucrado con LATOR. "Deberíamos seguir tratando de presionar para obtener más precisión en las pruebas de relatividad general, simplemente porque cualquier tipo de desviación significaría que hay una nueva física que no conocíamos antes".
Laboratorio solar
El experimento funcionaría de esta manera: dos satélites pequeños, cada uno de aproximadamente un metro de ancho, serían lanzados a una órbita que circunda el sol aproximadamente a la misma distancia que la Tierra. Este par de minisatélites orbitaría más lentamente que la Tierra, por lo que aproximadamente 17 meses después del lanzamiento, los minisatélites y la Tierra estarían en lados opuestos del sol. A pesar de que los dos satélites estarían separados unos 5 millones de kilómetros, el ángulo entre ellos visto desde la Tierra sería pequeño, de solo 1 grado. Juntos, los dos satélites y la Tierra formarían un triángulo delgado, con rayos láser a sus lados, y uno de esos rayos pasaría cerca del sol.
Turyshev planea medir el ángulo entre los dos satélites utilizando un interferómetro montado en la ISS. Un interferómetro es un dispositivo que capta y combina haces de luz. Al medir cómo las ondas de luz de los dos mini-satélites "interfieren" entre sí, el interferómetro puede medir el ángulo entre los satélites con una precisión extraordinaria: aproximadamente 10 billonésimas de segundo de arco, o 0.01? As (micro-segundos de arco). Cuando se considera la precisión de las otras partes del diseño LATOR, esto proporciona una precisión general para medir cuánta gravedad dobla el rayo láser de aproximadamente 0.02 ° como para una sola medición.
"El uso de la ISS nos brinda algunas ventajas", explica Turyshev. "Por un lado, está por encima de las distorsiones de la atmósfera de la Tierra, y también es lo suficientemente grande como para permitirnos colocar las dos lentes del interferómetro muy separadas (una lente en cada extremo de la armadura del panel solar), lo que mejora la resolución y la precisión de la resultados ".
La precisión de 0.02 'como LATOR es lo suficientemente buena como para revelar desviaciones de la relatividad de Einstein predicha por las aspirantes a Teorías de todo, que varían de aproximadamente 0.5 a 35' como. El acuerdo con las mediciones de LATOR sería un gran impulso para cualquiera de estas teorías. Pero si LATOR no encuentra ninguna desviación de Einstein, la mayoría de los contendientes actuales, junto con sus 11 dimensiones, espacio pixelado y constantes inconstantes, sufrirán un golpe fatal y "pasarán" a esa gran pila de biblioteca polvorienta en el cielo .
Debido a que la misión solo requiere tecnologías existentes, Turyshev dice que LATOR podría estar listo para volar tan pronto como 2009 o 2010. Por lo tanto, puede que no pase mucho tiempo antes de que el estancamiento en física se rompa y una nueva teoría de la gravedad, el espacio y el tiempo tome el camino trono.
Fuente original: NASA / Science Story
