El físico Andrei Lebed de la Universidad de Arizona ha provocado a la comunidad de la física con una idea intrigante que aún no se ha probado experimentalmente: la ecuación más emblemáticos del mundo, la de Albert Einstein, E = mc2, puede ser correcta o no, dependiendo en dónde se encuentre usted o se aplique en el espacio. Esto implica adicionalmente que la masa inercial es diferente a la masa gravitacional, afirma el científico.
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, fundamentalmente hablando, son lo mismo y pueden, de hecho, convertirse en una a la otra. Esto fue demostrado por primera vez por Albert Einstein en la Teoría de la Relatividad Especial y expresada en su famosa ecuación icónica, 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 validado la ecuación de Einstein en innumerables experimentos y cálculos, y muchas tecnologías como los teléfonos móviles y de navegación GPS dependen de ella, el profesor de física, Andrei Lebed de la Universidad de Arizona ha provocado la comunidad de la física, al sugerir que E = mc2 podría no ser exacta en su igualdad bajo ciertas circunstancias.
La clave del argumento de Lebed radica en el concepto mismo de la masa en sí. Según el paradigma aceptado, no hay ninguna diferencia entre la masa de un objeto en movimiento que puede ser definida en términos de su inercia, y la masa otorgada a dicho objeto por un campo gravitatorio. En términos simples, la masa anterior, también llamado inercial, es lo que causa que el guardabarros de un coche se doble al momento del impacto con otro vehículo, mientras que la segunda, llamada masa gravitacional, es lo que comúnmente se conoce como “peso”.
Este principio de equivalencia entre las masas inercial y gravitacional, introducidos 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 muestran que más allá de una cierta probabilidad, hay una posibilidad muy pequeña, pero real, de que la ecuación se rompa por una masa gravitatoria”, dijo Lebed. Si se mide el peso de los objetos cuánticos, tales como un átomo de hidrógeno, con bastante frecuencia, el resultado será el mismo en la gran mayoría de los casos, pero una pequeña parte de estas mediciones dan una lectura diferente, en aparente violación de E = mc2 . Esto ha desconcertado a los físicos, pero podría ser explicada si la masa gravitacional no es la misma que la masa inercial, que es un paradigma en la física.
“La mayoría de los físicos no están de acuerdo con esto porque creen que la masa gravitacional, es exactamente igual a la masa inercial”, dijo Lebed. “Pero mi punto es que la masa gravitacional no puede ser igual a la masa inercial debido a efectos cuánticos en la relatividad general, que es la teoría de Einstein de la gravitación. Hasta donde yo sé, nadie ha propuesto esto antes.”
“El problema más importante en la física es el principio unificador de todo – una teoría que pueda describir todas las fuerzas presentes en la naturaleza”, dijo Lebed. “El problema principal hacia esta teoría es cómo unir la mecánica cuántica relativista y la gravedad. Trato 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 que E = mc2 siempre es cierto para la masa inercial, no lo hace siempre para la masa gravitacional. “Lo que esto probablemente significa es que la masa gravitatoria no es la misma inercia”, dijo.
Según Einstein, la gravedad es el resultado de una curvatura en el espacio mismo. Piense en un colchón en el que varios objetos se han colocado, por ejemplo, una pelota de ping pong, una de béisbol y una bola de boliche. La pelota de ping pong no hará mella visible, el béisbol hará una muy pequeña y la bola se hundirá en la espuma. Estrellas y planetas hacen lo mismo con el espacio. A mayor masa de un objeto, más grande será la abolladura que causará en el tejido del espacio.
Lebed y sus cálculos indican que el electrón puede saltar a un nivel superior de energía sólo cuando el espacio es curvo. Los fotones emitidos durante los eventos de conmutación de energía-(flecha ondulada) podría ser detectada para probar la idea. En otras palabras, si la masa es más, más fuerte es la fuerza de gravedad. En este modelo conceptual de la gravitación, es fácil ver cómo un objeto pequeño, como un asteroide errante por el espacio, con el tiempo se queda atrapado en el hueco de un planeta, atrapado en su campo gravitacional.
“El espacio tiene una curvatura”, dijo Lebed, “y cuando se mueve una masa en el espacio, esta curvatura altera este movimiento”. Según el físico de la UA, la curvatura del espacio es lo que hace que la masa gravitacional sea diferente de la masa inercial. Lebed ha sugerido para probar su idea el medir el peso del objeto más simple de la cuántica: un átomo de hidrógeno, que sólo se compone de un núcleo, un solo protón y un electrón solitario en órbita alrededor del núcleo. Debido a que espera que el efecto sea extremadamente pequeño, se necesitaría una gran cantidad de átomos de hidrógeno.
En raras ocasiones, el electrón zumbando alrededor del núcleo del átomo salta a un nivel de energía superior, que aproximadamente se puede considerar como una órbita más amplia. Dentro de un corto período de tiempo, el electrón vuelve a su nivel de energía anterior. De acuerdo con E = mc2, la masa del átomo de hidrógeno va a cambiar junto con el cambio en el nivel de energía. Hasta ahora, todo bien. Pero, ¿qué pasaría si trasladamos ese átomo a una distancia de la Tierra, donde el espacio ya no es curvo sino plano? Lo has adivinado: el electrón 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 solamente el primer nivel del átomo de hidrógeno,” Lebed explicó. “No siente la curvatura de la gravitación”. “Entonces nos movemos de nuevo al campo gravitacional de la Tierra, y debido a la curvatura del espacio, hay una probabilidad de que el salto de electrones se produzca desde el primer nivel al segundo. Y ahora la masa será diferente.”
“La gente ha hecho cálculos de los niveles de energía en la Tierra, pero no resulta nada, porque la curvatura sigue siendo la misma, por lo que no hay ninguna perturbación”, dijo Lebed. “Pero lo que no se tuvo en cuenta antes es la oportunidad de que los electrones puedan saltar desde el primer hasta el segundo nivel, porque la curvatura perturba el átomo”. “En lugar de medir el peso directamente, queremos detectar estos eventos de energía de conmutación, que se den a conocer en forma de fotones emitidos – en esencia, 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 foto detector sensible a un viaje al espacio. En el espacio exterior, la relación entre la masa y la energía es el mismo para el átomo, pero sólo porque el espacio plano no permite el electrón cambiar los niveles de energía.
“Cuando estamos cerca de la Tierra, la curvatura del espacio perturba el átomo, y hay una probabilidad de que el electrón pueda saltar, con lo que emite un fotón que es registrado por el detector”, dijo.
Dependiendo del nivel de energía, la relación entre la masa y la 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 a dos o tres veces el radio de la Tierra, y va a funcionar.” De acuerdo con Lebed, su obra es la primera proposición para probar la combinación de la mecánica cuántica y la teoría de Einstein de la gravedad 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 es igual a la masa inercial, sino también porque muchos ven el matrimonio como una especie de monstruo. Me gustaría probar este matrimonio. Quiero ver si funciona o no “.
Fuente:
University of Arizona
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