Einstein sigue teniendo razón

La Relatividad General de Einstein es una de las teorías más robustas de la física moderna, superando cada uno de los tests que se le han planteado. Recientemente ha superado una más de estas pruebas pues se ha comprobado que el Principio de Equivalencia Débil resiste a niveles de una mil billonésima de precisión.

La teoría de la Relatividad General de Einstein lo ha vuelto a hacer: ha vuelto a superar con éxito uno de los muchos tests a los que se la ha expuesto. Esta teoría es una de las más robustas de la física moderna, pues ha podido sobreponerse a las incontables pruebas a las que se ha enfrentado. Al poco de ser desarrollada por Einstein, predijo con éxito la desviación de la luz de estrellas lejanas al pasar cerca del Sol durante el eclipse de mayo de 1919. Más tarde se predijo la existencia de los agujeros negros y de las ondas gravitatorias, cuya comprobación experimental tuvo que esperar varios años pero acabó llegando. Recientemente se ha puesto bajo la lupa el “principio de equivalencia débil” hasta una precisión nunca antes conseguida, obteniéndose los resultados que la Relatividad General predecía.

Este test reciente se ha llevado a cabo como parte de la misión MICROSCOPE, diseñada por la agencia espacial francesa (CNES) y lanzada en 2016. Esta misión consistía en un satélite de unos 300 kilogramos cuyo objetivo era medir la aceleración de diferentes masas en caída libre en el interior del satélite mientras orbitaban alrededor de la Tierra. El experimento determinó que la aceleración de estas masas era idéntica con una precisión de una parte en mil billones (es decir, en mil millones de millones, o 1 en 1015), descartando cualquier violación del principio de equivalencia débil a dicho nivel.

La Relatividad General es la teoría que utilizamos en la actualidad para describir la gravedad y fue formulada por Albert Einstein en 1915. Esta teoría nos dice básicamente que la energía le dice al espaciotiempo cómo debe deformarse y la deformación del espaciotiempo le dice a la energía cómo debe moverse. Pues bien, como parte de esta teoría Einstein introdujo el principio de equivalencia, que tiene dos versiones: la fuerte y la débil. Este principio de equivalencia hace referencia al hecho de que, bajo la Relatividad General (y por nuestra experiencia experimental), sea imposible distinguir entre un campo gravitatorio y un sistema de referencia acelerado. Es decir, que no hay experimento posible que nos permita distinguir entre estar sobre la superficie de la Tierra y estar en el interior de una nave espacial que acelera constantemente a 9’8 metros por segundo al cuadrado.

La versión débil del principio de equivalencia habla únicamente de los cuerpos en caída libre, diciendo que esta caída libre no dependerá de la composición o estructura del cuerpo. El fuerte sí es más restrictivo y hace referencia a cualquier otro tipo de experiencia o experimento que podamos llevar a cabo sumergidos en un campo gravitatorio.

Esto es por tanto lo que han intentado comprobar con el experimento MICROSCOPE, que la caída libre de dos objetos no depende de qué material estén hechos ni de su estructura interna. Para ello han medido la aceleración de diferentes masas de aleaciones con platino y titanio como elementos principales, mientras experimentaban la caída libre a bordo del satélite. Al obtener un resultado negativo, pues no se ha medido diferencias dentro de los niveles de sensibilidad del instrumental a bordo, la Relatividad General se hace un poquito más robusta de lo que ya era.

Estos experimentos son importantes porque creemos firmemente que la Relatividad General no debería ser la teoría definitiva en lo que a gravedad respecta. Esto es así porque esta teoría es “clásica” en el sentido de que no incorpora los fundamentos de la física cuántica.

El resto de interacciones fundamentales, que son la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte, sí vienen descritas por teorías cuánticas. Es por esto que pensamos que deberíamos poder llegar a una teoría que describiera la gravedad hasta la escala cuántica. Hay ya algunas propuestas, pero ninguna de ellas ha conseguido hacer predicciones que podamos comprobar en un laboratorio (esté este en tierra o en órbita). La teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles son dos de las más populares.

Sin embargo, sea cual sea la teoría que finalmente consiga explicar la gravedad con un formalismo cuántico, esta teoría deberá ser, como mínimo, tan potente y tan robusta como la Relatividad General. Deberá explicar absolutamente todo lo que la Relatividad General ya explica y al nivel de precisión de esta y además darnos predicciones nuevas, fruto de esa naturaleza cuántica. Se tiene la expectativa de que una teoría cuántica de la gravedad pueda explicar qué ocurre en el interior del horizonte de sucesos de un agujero negro, pues esto es algo que la física actual desconoce por completo.

Una de las mayores dificultades del diseño de este experimento consistía en comprobar si los sistemas funcionarían antes de despegar, pues este montaje experimental no funciona en la Tierra y necesita de la microgravedad para poder ser testeado. Los resultados obtenidos por MICROSCOPE superan en más de 100 veces los mejores resultados que teníamos hasta la fecha y abren el camino a mejoras en el montaje experimental para, en un futuro, llevar a cabo un test todavía más preciso de la Relatividad General. Sin embargo el equipo de investigación no cree que esto vaya a ser posible en los próximos 10 o 20 años.

Referencias:

Pierre Touboul et al, MICROSCOPE Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle. Physical Review Letters, 2022; 129 (12) DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.121102

Pierre Touboul et al, The MICROSCOPE space mission: the first test of the equivalence principle in a space laboratory. Classical and Quantum Gravity, 2022; 39 (20): 200401 DOI: 10.1088/1361-6382/ac5acd

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José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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