Newton, eres grande en lo pequeño

La gravedad es la fuerza arquetípica de la que todos tenemos una constancia directa.  Es normal que fuera la primera interacción de la que dispusimos una formulación matemática formal. Como es bien conocido la ley matemática de la gravitación vino de la mano del amigo Newton.  En la actualidad tenemos una teoría más general para la gravedad, Albert Einstein nos proporcionó una nueva forma de entender la gravedad como la consecuencia de la cambiante geometría del espaciotiempo. En esta teoría el espaciotiempo es una entidad dinámica que interactúa con el resto de campos físicos.  Hay que decir que la relatividad general, la teoría gravitatoria de Einstein, no invalida a la gravedad de Newton sino que la contextualiza. En la relatividad general recuperamos la gravedad Newtoniana para campos gravitatorios débiles y velocidades pequeñas de los cuerpos gravitantes.  Así que esto no es una competición de la relatividad general está bien y por tanto la gravedad de Newton está mal.

En ciencia lo único que puede decir que una teoría no es válida es el experimento.  Las teorías tienen que predecir valores de los observables físicos y el experimento tiene que ser capaz de decir si los valores «reales» observados de esas magnitudes coincide con lo predicho por las teorías o no.

Por tanto, en ciencia hay una lucha eterna entre teorías y experimentos. Los experimentos nos dan los valores de las magnitudes físicas medidas y estos resultados se comparan con los valores predichos para dichas magnitudes por los modelos físicos. Así pues, confiamos en una teoría hasta que llega un experimento que esta no puede explicar.

Pues bien, de forma sorprendente (al menos a mí siempre me ha parecido sorprendente), la interacción gravitatoria no es la mejor conocida experimentalmente.  En la actualidad podemos decir que sabemos que la teoría de la relatividad general y su límite Newtoniano funcionan en un rango de distancias desde el mm hasta algo más allá del sistema solar.  Si bien es cierto que cada vez tenemos mejor control a grandes escalas, verificar y experimentar con el campo gravitatorio en escalas por debajo del milímetro es ciertamente complicado.

Pero parece que se ha hecho algún avance importante en este sentido como dicen en el artículo:

Gravity resonance spectroscopy constrains dark energy and dark matter scenarios

Vamos a ver de qué va esto.

¿Qué queremos medir?

Cuando tenemos un sistema de partículas confinadas, es decir, que están condenadas a «vivir» en una determinada región finita del espacio, las energías de estas partículas no pueden ser cualesquiera sino solo determinados valores.  Es decir, los niveles de energía permitidos no son un continuo sino un conjunto discreto.  Esta es una de las predicciones de la teoría cuántica y es una de las más estudiadas y de las más contrastadas experimentalmente.

Lo que queremos medir son los niveles de energía de un sistema de neutrones de poquita energía (neutrones frío o de velocidad baja) confinados entre dos espejos dispuestos de tal forma que estén inmersos en el potencial gravitatorio de la tierra.  En el experimento se emplean neutrones para minimizar la influencia de otras interacciones, como  la electromagnética, y así tener un buen control de la influencia de la gravedad en este experimento. (Recordemos que la gravedad es la más débil de las interacciones y que cualquier otra de ellas enmascararía su efecto en el experimento).

Lo que hacemos es lo siguiente:

1.-  Lanzamos neutrones a muy baja velocidad de forma que atraviesen dos espejos separados una determinada distancia h.  DAdo que ambos espejos están a distintas alturas hay una influencia del potencial gravitatorio.  En puntos más altos la gravedad es menor que en puntos más cerca de la tierra, eso induce un potencial gravitatorio.  Los neutrones en este dispositivo tienen distintos niveles discretos de energía.

2.-  Además, el espejo superior tiene una rugosidad conocida que induce transiciones de los neutrones entres distintos niveles de energía. (En realidad introduce un factor de disipación que hace que la vida media en los estados sea conocida, esto es útil para seleccionar qué estados queremos medir en el experimento, pero es una pijada técnica)

Los niveles de energía, con la representación de sus funciones de onda y las posible transiciones entre niveles.

3.-  Los espejos se acoplan a un resonador.  Este provoca una oscilación en los mismos con lo que se induce una modificación efectiva periódica en el potencial de interacción gravitatorio que van sintiendo los neutrones en vuelo.  Esto nos proporciona una herramienta para provocar un fenómeno de resonancia.

4.-  Esto provoca que podamos entender el experimento como una situación de dos niveles de energía (seleccionados por la configuración de los espejos, la rugosidad del superior y la oscilación mecánica que modula y selecciona frecuencias resonantes).  Lo que medimos es la transición entre estos dos estados para los neutrones fríos en vuelo.

Lo que se encuentra

El resultado del experimento se puede resumir en la siguiente figura:

Lo puntos experimentales son los que uno esperaría encontrar si la ley de Newton de la gravedad no sufre modificaciones a la escala en la que se está haciendo el experimento.

Así pues, este experimento alarga la vida a la gravedad de Newton 🙂

¿Qué tiene que ver esto con la energía oscura y la materia oscura?

Pues como no sabemos qué son estas cosas hay sobre la mesa varios modelos. Estos modelos asignan diferentes propiedades gravitatorias a estos bichos y afectaría a los neutrones de este experimento. Eso daría una señal que podríamos identificar.

Lo que se ha obtenido en este experimento se puede resumir en lo siguiente:

a)  La gravedad de Newton (como límite de la relatividad general sin modificaciones) ha sido comprobada hasta la escala micrométrica.  (Esto descarta que haya dimensiones extra grandes del orden del milímetro como se había propuesto en algunos modelos de física de partículas).

b)  Una familia de modelos para explicar la energía oscura, los conocidos como modelos camaleónicos, ha visto muy reducida su viabilidad aunque aún no se pueden descartar del todo a la espera de la mejora de estas técnicas.

c)  Una de las formas de materia oscura, los axiones, pueden interactuar con los neutrones del experimento modificando las transiciones que se ven en el experimento.  Sin embargo, dichas transiciones no han aparecido, lo que constriñe aún más la posibilidad de materia oscura axionica.

Concluyendo

Estas técnicas pueden deparar muchas sorpresas y dar restricciones mucho más fuertes para modelos de energía oscura, materia oscura y dimensiones extra.  Son experimentos relativamente «sencillos» y «baratos» que nos pueden enseñar muchas cosas.

Nos seguimos leyendo…