Nueva teoría cuántica separa las masas gravitatoria e inercial

Etiquetas

masa, masa gravitatoria, masa inercial

Artículo publicado el 14 de mayo de 2010 en Technology Review

El principio de equivalencia es una de las piedras angulares de la relatividad general. Ahora los físicos han usado la mecánica cuántica para mostrar cómo falla.

El principio de equivalencia es una de las ideas más fascinantes de la ciencia moderna. Este principio establece que la masa gravitatoria y la masa inercial son idénticas. Einstein lo formuló así: la fuerza gravitatoria que experimentamos en la tierra es idéntica a la fuerza que experimentaríamos si estuviéramos en una nave espacial con una aceleración de 1g. Newton podría haber dicho que la masa m en F=ma es la misma que las m’s en F=Gm₁m₂/r².

Masa cuántica

Esto parece muy práctico, aunque no es más que una afirmación. Podemos medir la equivalencia con precisiones cada vez mayores, pero nada nos impide pensar que la relación se romperá en algún momento. De hecho, varias modificaciones de la relatividad lo predicen.

Un cuestión importante es qué tiene que decir la mecánica cuántica sobre la materia. Pero los físicos hasta ahora no han sido capaces de usar la teoría cuántica como una palanca para separar el comportamiento de la masa inercial y la gravitatoria.

Todo esto cambia hoy con el extraordinario trabajo de Endre Kajari, de la Universidad de Ulm, en alemania, y algunos amigos. Estos muestran cómo es posible crear situaciones en el mundo cuántico en las que los efectos de la masa inercial y de la masa gravitatoria deben ser diferentes. De hecho, muestran que estas diferencias pueden ser arbitrariamente grandes.

Comienzan señalando la diferencia entre la cinemática, que se ocupa del movimiento, pero no de las causas que lo producen, y la dinámica, que se ocupa del origen del movimiento. En el mundo clásico, esto no influye en los efectos de la masa inercial y de la masa gravitatoria.

Sin embargo, en el mundo cuántico, el modo en el que los estados son preparados tiene una gran importancia. Señalan, por ejemplo, que la función de onda de una partícula en una caja no depende de la masa mientras que la función de onda de la energía de un oscilador armónico depende de la raíz cuadrada de la masa.

Esto conduce a una idea interesante: es posible crear combinaciones de cajas gravitatorias y electromagnéticas y osciladores en los que la masa inercial y la gravitatoria juegan diferentes papeles.

Resulta que los físicos ya juegan con este tipo de configuración: el llamado trampolín atómico, en el que una onda de materia cae por la influencia de la gravedad pero rebota gracias a la fuerza electromagnética. Calculan que los autovalores de la energía del átomo son proporcionales a (masa gravitatoria)^2/3 pero a (masa inercial)^-1/3.

Éste es un resultado increíble. El tipo de espectroscopía de energía de los átomos o Condensados de Bose-Einstein que puede indicar esta diferencia debería ser alcanzable, si no ahora,  dentro de los próximos años.

Si se consigue, este tipo de investigaciones proveerán una manera completamente nueva de estudiar la naturaleza de la masa y quizá más importante todavía, de investigar la desconcertante relación entre la relatividad general y la mecánica cuántica.

Por ejemplo, los cosmólogos querrán saber cómo la masa inercial y la gravitatoria se comportan en las condiciones más extremas en el universo, tales como dentro de los agujeros negros.

Esto promete unos próximos años excitantes.