Un experimento realizado en la órbita terrestre ha confirmado, con una precisión inédita, que todo cuerpo cae a la misma velocidad bajo la influencia de la gravedad, independientemente de su posición en el espacio. Galileo podría estar inspirando una nueva revolución cosmológica que unificaría la gravedad y la física cuántica.
Los científicos vienen dándole vueltas a una idea que les obsesiona desde el principio de los tiempos: ¿cómo es posible que dos cuerpos con diferente peso caigan a la vez si los tiramos desde una torre?
Entre 1589 y 1592, el científico italiano Galileo Galilei lo habría comprobado subiéndose a la inclinada torre de Pisa y dejando caer dos esferas de distintas masas: llegaron a la vez al suelo después de recorrer juntas 55,86 metros en caída libre.
Más o menos por las mismas fechas, otro experimento similar se desarrolló en la torre de Nieuwe Kerk, en Delft, que mide 108,75 metros de altura y que es la segunda torre de iglesia más alta de los Países Bajos.
Hasta en la Luna
Desde lo más alto de esa torre, el matemático y físico Simon Stevin y Jan Cornets de Groot lanzaron dos bolas de plomo, una de ellas diez veces más grande y pesada que la otra, y comprobaron que ambas también cayeron a la vez.
Más recientemente, en 1971, el astronauta David Scott dejó caer desde sus manos un martillo y una pluma sobre la superficie de la Luna y comprobó que, debido a la falta de atmósfera, no hubo ninguna resistencia en la caída de la pluma, que tocó el suelo al mismo tiempo que el martillo.
Principio de Equivalencia
En 1907, Einstein ya había establecido, en el marco de la Relatividad General, el así llamado Principio de Equivalencia, según el cual dos cuerpos diferentes caerían a la misma velocidad porque las masas inerciales y gravitatorias son equivalentes.
Uno de los tres desarrollos de ese principio se conoce como Principio de Equivalencia Débil, cuyos orígenes se remontan al experimento de Galileo. Según este principio, en un medio sin resistencia, todos los cuerpos caen con la misma aceleración siempre que no haya otras fuerzas (como la resistencia del aire, que frena la caída de una pluma en la Tierra, pero no en la Luna).
Para probar ese principio, que es contrario a la intuición (lo lógico sería que el objeto más pesado cayera más deprisa), después de los experimentos históricos se han realizado muchas pruebas de precisión del Principio de Equivalencia Débil (WEP).
Diferentes experimentos en tierra han mostrado con mucho más rigor que las aceleraciones de dos objetos en caída libre son prácticamente idénticas. El WEP también se ha probado a través del movimiento de la Luna y de la Tierra alrededor del Sol, para aumentar la precisión de las mediciones.
También en satélites
Una nueva investigación, cuyos resultados se han publicado en la revista Physical Review Letters, ha confirmado, con una precisión cien veces mayor que la alcanzada en los registros anteriores, que todos los cuerpos caen a la misma velocidad bajo la influencia de la gravedad, independientemente de la posición que ocupen en el espacio.
El artículo describe los resultados finales de la misión MICROSCOPE, desarrollada por CNES (Centro Nacional de Estudios Espaciales de Francia), la ONERA (Oficina Nacional de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales) y el OCA (Observatorio de la Costa Azul).
El satélite de esta misicón, lanzado en 2016, orbitó la Tierra durante dos años, a una altitud de 710 km, y probó el WEP midiendo las aceleraciones de objetos en caída libre en esas condiciones.
El equipo, analizando los datos de MICROSCOPE publicados en 2017, descubrió que las aceleraciones de pares de objetos descartan cualquier violación del WEP, o desviaciones de la comprensión actual de la relatividad general en ese nivel, aseguran los investigadores en su artículo.
El experimento consistió en colocar dos cilindros coaxiales de titanio y platino en caída libre en el campo gravitatorio terrestre: los científicos observaron que se mantuvieron en equilibrio gracias a fuerzas electrostáticas, sin violar en ningún momento WEP.
La historia continúa
Este resultado no pone en ningún caso fin a la historia del WEP, porque lo que los científicos están buscando es, precisamente, una violación de ese principio, que suponen se produce en algún nivel.
“Estamos casi seguros de que hay una violación a cierto nivel, pero es difícil predecir cuál es ese nivel”, señala Gilles Métris, científico del Observatorio de la Costa Azul y coautor del estudio. “Si algún día pudiéramos ver algo, entonces sería revolucionario", añade Manuel Rodrigues, científico del laboratorio aeroespacial francés ONERA y también coautor del estudio.
Si encontraran ese pretendido límite del Principio de Equivalencia Débil, habrían tropezado con una medida que viola la relatividad general, y eso supone abrir la puerta a teorías que unifican la física cuántica y la clásica.
La teoría de la relatividad general describe cómo funciona la gravedad y se relaciona con el tiempo y el espacio. Pero, debido a que no tiene en cuenta las observaciones de los fenómenos cuánticos, los investigadores buscan posibles desviaciones de la teoría en diversas situaciones.
Esas posibles violaciones, si se confirmaran, sugerirían nuevas interacciones o fuerzas que podrían unir la relatividad con la física cuántica que pretendía Einstein.
Vuelve Galileo
Llegar al fondo del WEP es una forma de buscar expansiones potenciales a la relatividad general y, tal vez, de poner de nuevo a Galileo en el epicentro de una nueva revolución.
De la misma forma que en el Siglo XVI cambió la visión del mundo confirmando lo que Copérnico había anticipado 100 años antes: que era la Tierra la que giraba alrededor del Sol (y no al revés), puede ser que el científico italiano, experimentando en la Torre de Pisa, nos haya acercado a una teoría universal que abarca la gravitación y la física cuántica.
Ambas teorías son las columnas sobre las que se ha construido todo nuestro conocimiento sobre lo grande y lo pequeño del universo, y comprobar que ambas se pueden englobar en una teoría unificada se considera el santo grial de los físicos. Galileo y el Principio de Equivalencia Débil están en esa ecuación por despejar.
Referencia
MICROSCOPE Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle. Pierre Touboul et al. Phys. Rev. Lett. 129, 121102. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.121102
