LOS FÍSICOS BUSCAN EN EL UNIVERSO EVIDENCIA DE QUE UNA FUERZA FUNDAMENTAL DE LA NATURALEZA ESTÁ FUERA DE CONTROL


La gravedad surge de la distorsión del espacio-tiempo mismo.
(Imagen: © Shutterstock)

Solo cuatro números apuntalan las leyes de la física. Es por eso que los científicos han buscado durante décadas cualquier discrepancia en estas llamadas constantes fundamentales. Encontrar tal variación sacudiría los cimientos de la ciencia moderna.

Sin mencionar que garantizaría al menos a un investigador afortunado un viaje gratis a Estocolmo, una nueva y brillante medalla de oro y un millón de dólares.

Recientemente, un par de astrónomos recurrieron a una de las estrellas más antiguas del universo para probar la constancia de una de las superestrellas de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza : la gravedad. Miraron hacia atrás en el tiempo durante los últimos miles de millones de años en busca de inconsistencias.

No para revelar la historia completa, pero todavía no se otorgarán premios Nobel .

El hombre g

Damos por sentado la constante gravitacional de Newton (denotada simplemente por «G»), probablemente porque la gravedad es bastante predecible. Lo llamamos la constante gravitacional de Newton porque Newton fue la primera persona que realmente lo necesitó para ayudar a describir sus famosas leyes del movimiento. Usando su cálculo recién inventado, pudo extender sus leyes de movimiento para explicar el comportamiento de todo, desde las manzanas que caen de un árbol hasta las órbitas de los planetas alrededor del sol. Pero nada en sus matemáticas le dijo cuán fuerte debería ser la gravedad, eso tuvo que medirse experimentalmente y deslizarse para que las leyes funcionen.

Y básicamente ha sido así durante siglos: midiendo G por sí mismo y conectándolo a las ecuaciones cuando sea necesario. Hoy en día, tenemos una comprensión más sofisticada de la gravedad, gracias a la teoría de la relatividad general de Einstein , que describe cómo surge la gravedad de la distorsión del espacio-tiempo mismo. Y una de las piedras angulares de la relatividad es que las leyes físicas deben permanecer iguales en todos los marcos de referencia.

Esto significa que si un observador en un marco de referencia particular, por ejemplo, alguien parado en la superficie de la Tierra o flotando en el medio del espacio, mide una fuerza de gravedad particular (G de Newton), entonces ese mismo valor debería aplicarse igualmente todo a lo largo del espacio y el tiempo. Simplemente está integrado en las matemáticas y los supuestos fundamentales de trabajo de la teoría de Einstein.

Por otro lado, sabemos que la relatividad general es una teoría incompleta de la gravedad. No se aplica al reino cuántico, por ejemplo, las partículas pequeñas que forman un electrón o un protón, y la búsqueda continúa para encontrar una verdadera teoría cuántica de la gravedad. Uno de esos candidatos para tal teoría se llama teoría de cuerdas, y en la teoría de cuerdas no hay tal cosa como números que solo necesiten agregarse.

En la teoría de cuerdas, todo lo que sabemos sobre la naturaleza, desde el número de partículas y fuerzas hasta todas sus propiedades, incluida la constante gravitacional, debe surgir de manera natural y elegante de las propias matemáticas . Si esto es cierto, entonces la constante gravitacional de Newton no es solo un número aleatorio: es una consecuencia de algún proceso complicado que opera a nivel subatómico, y no tiene que ser constante en absoluto. Y así, en la teoría de cuerdas, a medida que el universo crece y cambia, las constantes fundamentales de la naturaleza podrían cambiar junto con él.

Todo esto plantea la pregunta: ¿es realmente constante la constante de Newton? Einstein da un sí firme y claro , y los teóricos de cuerdas dan un firme y claro tal vez .

Es hora de hacer algunas pruebas.

Einstein en juicio

En los últimos años, los científicos han ideado experimentos muy sensibles de la fuerza de la gravedad en la Tierra y en nuestras inmediaciones. Estos experimentos dan algunas de las restricciones más estrictas sobre las variaciones en G, pero solo en los últimos años. Podría ser que la constante de Newton varíe increíblemente lentamente, y simplemente no hemos estado buscando con atención durante el tiempo suficiente.

En el otro extremo del espectro, si se entretiene con las constantes fundamentales de la naturaleza, comenzará a arruinar la física del universo primitivo, que es visible para nosotros en forma de lo que se llama el fondo cósmico de microondas . Este es el patrón de luz de resplandor posterior de cuando el universo tenía solo unos pocos cientos de miles de años. Las observaciones detalladas de esa luz de fondo también imponen restricciones a la constante gravitacional, pero estas restricciones son mucho menos precisas que las encontradas en las pruebas que podemos hacer en nuestro propio patio trasero.

Recientemente, los astrónomos han inventado una prueba de variaciones en G que alcanza un punto medio entre estos dos extremos, que describen en línea en el diario de preimpresión arXiv . Es una prueba de relativamente alta precisión; no es tan preciso como los basados ​​en la Tierra, pero es mucho mejor que los cósmicos, y también tiene el beneficio de abarcar literalmente miles de millones de años.

Resulta que podemos buscar cambios en la constante gravitacional de Newton al observar el bamboleo de una de las estrellas más antiguas del universo.

Está en el meneo

El telescopio espacial Kepler es famoso por la caza de exoplanetas, pero en general es realmente bueno para mirar las estrellas durante largos períodos de tiempo, buscando incluso la más mínima variación. Y algunas de esas variaciones simplemente provienen del hecho de que las estrellas, bueno, varían en brillo. De hecho, las estrellas pulsan y tiemblan por las ondas de sonido que se estrellan dentro de ellas, al igual que los terremotos, ambos están hechos de materiales (un plasma supercaliente y denso en el caso del sol) que pueden vibrar.

Estos temblores y temblores en la superficie de la estrella afectan su brillo y nos informan sobre la estructura interior. El interior de una estrella depende de su masa y edad. A medida que las estrellas evolucionan, cambian tanto el tamaño del núcleo como la dinámica de todas sus capas internas; esos cambios afectan lo que sucede en la superficie.

Y si comienzas a jugar con las constantes de la naturaleza, como la G de Newton, cambia la forma en que las estrellas evolucionan a lo largo de sus vidas. Si la constante de Newton es realmente constante, entonces las estrellas deberían aumentar lentamente en brillo y temperatura con el tiempo, porque a medida que queman hidrógeno en sus núcleos, dejan atrás una masa inerte de helio. Este helio se interpone en el proceso de fusión, reduciendo su eficiencia, obligando a las estrellas a arder a un ritmo más rápido para mantener el equilibrio, volviéndose más caliente y brillante en el proceso.

Si la constante de Newton disminuye lentamente con el tiempo, este proceso de brillo y calentamiento funcionará en escalas de tiempo mucho más rápidas. Pero si la constante de Newton se comporta de la manera opuesta y aumenta constantemente con el tiempo, las estrellas en realidad disminuirán la temperatura por un tiempo, luego mantendrán esa temperatura fija mientras aumentan de brillo a medida que envejecen.

Pero estos cambios son realmente evidentes solo durante períodos de tiempo muy largos, por lo que realmente no podemos mirar a nuestro propio sol, que tiene aproximadamente 4.500 millones de años, como un buen ejemplo. Además, las grandes estrellas no tienen una larga vida, y también tienen interiores increíblemente complicados que son difíciles de modelar.

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Después de mirar a esta estrella, los astrónomos tomaron años de datos de Kepler y los compararon con varios modelos de la evolución de la estrella, incluidos aquellos con variaciones en la G. de Newton. Luego, vincularon esos modelos a observaciones de la sismología (los meneos) en la superficie. Según sus observaciones, la constante de Newton realmente es constante, al menos hasta donde pueden ver, sin que se detecten cambios a nivel de 2 partes en un billón (como saber la distancia entre Los Ángeles y la ciudad de Nueva York al ancho de un bacteria única) en los últimos 11 mil millones de años.

¿De dónde viene la constante de Newton y cómo permanece tan constante? No tenemos una respuesta a esa pregunta, y por lo que podemos decir, Newton no irá a ningún lado pronto.

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