Bajo el resplandor de una luz verdosa, un científico de la Universidad de Stanford examina el bloque de cuarzo que contiene los cuatro giroscopios, el corazón de la Misión Relatividad, en busca de rastros de polvo. Crédito: Stanford

Las esferas de vidrio raramente tienen relación con la ciencia, pero un conjunto especial de cuatro de ellas podrían ofrecer pronto la respuesta a una de las últimas partes no comprobadas de la Teoría General de la Relatividad de Einstein. En lugar de observar en una bola de cristal, los científicos situarán cuatro – cada una de ellas un giroscopio de cuarzo – en órbita, en una misión de un año de duración en la que se medirá cómo giran para comprobar si la masa rotacional de la Tierra distorsiona el espacio y el tiempo.

Los científicos comparan habitualmente el tejido del espacio con una lámina de goma, en la que la Tierra actúa como una canica deformando la superficie, y de este modo curvando las trayectorias de los cuerpos en movimiento. Si Einstein está en lo cierto, entonces la rotación de un planeta o estrella también retuerce la lámina y distorsiona el tiempo, tan solo un poco, en un efecto denominado arrastre referencial que reorientará ligeramente los giroscopios.

Los giroscopios se encargarán también de medir un efecto denominado precesión geodésica, una minúscula compresión del espacio causada por la presencia física de la Tierra. Los efectos tanto de ésta como del arrastre estructural son tan pequeños que se requiere casi la perfección en el diseño y construcción del instrumento, la Gravity Probe B (o GP-B).

“Nos hemos esforzado mucho en diseñar un giroscopio absolutamente perfecto”, indica el Dr. Francis Everitt, Director de Investigación en la Universidad de Stanford. Aún en una época de exquisitas medidas, nada es perfecto. Pero los giroscopios de la GP-B están tan cerca de ella como los humanos podemos llegar. Los giroscopios y su sistema de soporte son tan precisos que los efectos no relativistas causarán en ellos una deriva inferior a 1/3 de milisegundo de arco en un año.|

Éste es un número que Everitt conoce bien. Una vez se arrancó un cabello de la cabeza y lo midió en el laboratorio de la Universidad de Stanford. A una distancia de 32 Km (20 millas), ese cabello tendría un tamaño de medio milisegundo de arco.

“Esto significa que los giroscopios pueden medir un arrastre referencial de 1 parte por 150, y una precesión geodésica de acerca de 1 parte por 100000”, explica Everitt. Pero, a pesar de estar seguro de la exactitud y precisión de la respuesta, no hará predicciones sobre la misma.

La analogía de la lámina de goma es la mejor forma de imaginarse cómo la masa curva el espacio y el tiempo. La Tierra es como una canica deformando la lisa superficie (Júpiter sería como una bola de bolos). El arrastre referencial actuaría como si existiera una fricción entre la Tierra y la lámina de goma de modo que la rotación de la Tierra retuerce ligeramente la lámina en una dirección, mientras que la precesión geodésica estira un poco en ángulo recto. Credito: UAH

“Nuestra opinión como experimentadores es la de no hacer predicciones que puedan prejuzgar los resultados”, opina Everitt. “Sigamos adelante y realicemos el experimento con tanta precisión como sepamos hacerlo”

Los números que se obtengan serán demasiado minúsculos para afectarnos en nuestra vida diaria, pero pueden ayudar a los científicos a explicar los increíbles chorros de masa y energía que emergen de las regiones situadas sobre los polos de los agujeros negros supermasivos en rotación situados en el centro de algunas galaxias.

Una representación del arrastre referencial alrededor de un agujero negro. Credito: Joe Bergeron y Sky & Telescope

“El experimento GP-B es un hito en física fundamental” afirma Rex Geveden, el responsable del proyecto en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall de NASA, “y su resultado tiene una importancia crítica para nuestro entendimiento del funcionamiento del Universo”.

“Einstein desarrolló dos teorías diferentes de la relatividad”, indica Everitt. “Su Teoría Especial de la Relatividad está bien comprobada. Pero en el caso la Teoría General de la Relatividad - la Teoría de Einstein de la Gravitación – la cantidad de pruebas es muy limitada”.

“Nos encontramos ante el hecho enormemente paradójico de que ésta es la teoría física más elegante nunca concebida – mucho más que el Modelo Estándar (que describe como interactúan las partículas y fuerzas fundamentales) – aunque sabemos que no puede ser más que una aproximación porque deja varias cuestiones sin responder”.

La medición con gran precisión tanto del arrastre referencial como de la deriva geodésica es el doble objetivo de la Misión Relatividad. Ésta será llevada a cabo por la GR-B, cuyo lanzamiento está previsto para 2002, 87 años después de que Einstein completara su trabajo sobre la Teoría General de la Relatividad.

En ciencia es inusual una espera tan prolongada para la comprobación de una teoría. (Otras predicciones de la Teoría General de la Relatividad han sido probadas y confirmadas hace años). El motivo es que, aunque la gravedad es el pegamento que mantiene unido el Universo, es a su vez la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales. Por tanto, para comprobar los efectos del arrastre referencial y la precesión geodésica ha sido necesario esperar a la aparición de elegantes tecnologías, lo suficientemente precisas para igualarse a la elegante teoría de Einstein.

Las tecnologías desarrolladas por Stanford, NASA/Marshall y Lockheed Martin (principal contratista de GP-B), situarán los cuatro giroscopios de cuarzo en una cámara aislante describiendo una órbita tan lisa como el cristal, para evitar vibraciones y perturbaciones que puedan enmascarar los dos efectos. Los giroscopios, el corazón de la misión, harán lo mismo que las peonzas de los niños.

Los científicos de la Universidad de Stanford insertan uno de los alojamientos de los giroscopios en el conjunto de cuarzo (QBA) que constituirá el centro de la GP-B. El telescopio de seguimiento estelar está situado en el extremo derecho de la imagen. El cristal es tan liso que las fuerzas moleculares bastan para soldar las diferentes partes del QBA. No es necesario ningún pegamento. Crédito: Stanford

Mucho antes de Einstein, Isaac Newton descubrió la ley de la inercia: un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento mientras no sea afectado por una fuerza externa. En el caso de una peonza o los giroscopios de la GP-B, los ejes de rotación permanecerán alineados en la misma dirección mientras no sean afectados por fuerzas externas.

En la Tierra, la peonza en seguida empieza a tambalearse y caer debido a la fricción entre su punta y el suelo. Los giroscopios situados a bordo de la GP-B estarán aislados de estos efectos de modo que sólo se verán afectados por la única fuerza que puede alcanzar el interior de la cámara aislada. La gravedad propia de la Tierra y su rotación deberían arrastrar al espacio-tiempo ligeramente y de este modo desplazar un poco los ejes de rotación de los giroscopios. Debido a que el arrastre referencial es tan tenue, las imperfecciones de los giroscopios y el resto de la nave deben ser por tanto inferiores.

Cada giroscopio está fabricado de un tipo especial de vidrio – cuarzo fundido, obtenido al derretir los cristales de cuarzo – mecanizados a un diámetro de 3.81 cm (1.5 pulgadas), y posteriormente pulidos hasta obtener una diferencia inferior a 40 átomos – menos de una millonésima de pulgada – con respecto a una esfera perfecta. Esto es equivalente a pulir la superficie de la Tierra de forma tan esférica que los picos de las montañas y el fondo oceánico difieran 5 metros (16 pies) del mismo nivel. Se cree que sólo las estrellas de neutrones son más lisas, debido a que la gravedad aplana todo en su superficie.

Cada giroscopio, flotando suavemente en el vacío, girará a 9000 revoluciones por minuto en el interior de un alojamiento de cuarzo casi tan esférico, y todo el conjunto se hallará aislado en el interior de un termo gigante lleno de helio.

Desde el punto de vista de los giroscopios, el universo virtualmente desaparecerá. Lo único que podrá afectarlos serán los tirones gravitatorios de la Tierra, la Luna y el Sol (los efectos del resto del sistema solar y el universo son demasiado pequeños para tenerlos en cuenta), el arrastre referencial y los efectos geodésicos.

Los ingenieros de Lockheed situados cerca de un modelo de ingeniería a escala real de la GP-B (a la derecha de la imagen) dan una idea del tamaño de una nave y una misión centrados en cuatro bolas de cuarzo de 3.8 centímetros (1.5 pulgadas) de diámetro. Crédito: Stanford

Al contrario que en misiones astrofísicas que rápidamente devuelven espectaculares imágenes, o misiones espaciales donde los observadores ven crecer cristales ante sus ojos, la Misión Relatividad necesitará 13 meses de recogida de datos antes de alcanzar su exactitud definitiva.

Aunque los científicos sabrán en un par de meses tras el lanzamiento si el experimento progresa adecuadamente, serán muy cautelosos y escrupulosos antes de afirmar nada definitivo sobre el resultado. Incluso tras la finalización de la principal recogida de datos, el equipo retocará ligeramente la nave y modificará su configuración para observar cómo estas variaciones afectan a las lecturas de los giroscopios.

“Comprobar una y otra vez” es el lema del equipo de la GP-B. Para obtener una doble seguridad, NASA y ellos han creado un comité científico consultivo como verificación adicional en su riguroso examen del propio Albert Einstein.

Si las respuestas de la GP-B son diferentes de las deducidas por la teoría de Einstein, entonces un gran número de supuestos de la física se verán afectados. Pero no podremos saberlo hasta que los giroscopios hayan completado más de 4700 millones de revoluciones, y de que los científicos hayan analizado los datos casi el mismo número de veces.

Dos relojes verificaron que Einstein tenía razón
Si esta es la GP-B, ¿qué era la GP-A?
Fue un experimento sobre gravitación y relatividad totalmente diferente, lanzado por NASA en 1976. Una parte de las teorías de la relatividad general y especial de Einstein sostiene que cambios en la gravedad y la velocidad alterarán la velocidad a la que fluye el tiempo. Esto implica la famosa Paradoja de los Gemelos.

En la paradoja, un gemelo monta en una nave espacial y acelera hasta una velocidad cercana a la de la luz. Cuando vuelve tras lo que a él le parece un corto viaje, se asombra al ver que su hermano gemelo es ahora un anciano para el que han transcurrido décadas. El motivo es que las altas velocidades tienen tres extraños efectos.

Cuando un objeto se mueve, su masa se incrementa, su longitud disminuye (en la línea del desplazamiento), y el tiempo se expande. Los cambios no son perceptibles sobre el objeto en movimiento, ya que todo cambia a la vez. Un observador estacionario verá todo esto sucediendo a la nave. Y el viajero percibirá cómo el mundo estacionario se vuelve mas rápido.

Érase una vez una niña llamada Señorita Bright, Que podía viajar más rápido que la luz. Se fue un día, De forma relativa, Y volvió la noche anterior. (Anónimo)

Los efectos son insignificantes a bajas velocidades. Cerca de la velocidad de la luz – a las llamadas velocidades relativistas – se vuelven cada vez mayores. Ése es el motivo por el cual no se puede viajar a la velocidad de la luz. La masa sería infinita, la longitud se haría cero, y todo tardaría eternamente. La primera prueba del incremento de masa de la relatividad especial fue un experimento con electrones acelerados efectuado por F. Bucherer en 1908, y la de la dilatación temporal por Blanckett y otros a principios de los años 20 del siglo pasado.

Einstein predijo que la gravedad provocaría el mismo efecto.

Para comprobar esta teoría, NASA empleó la paradoja de los Gemelos con relojes máser de hidrógeno que desfasan como máximo 1 segundo cada 3000 millones de años.

Un reloj permaneció en tierra, mientras que el segundo fue lanzado en un cohete a 10000 kilómetros de altura (6200 millas) donde la gravedad de la Tierra tiene menos de la mitad de fuerza que a nivel del mar. Mientras la sonda frenaba, paraba brevemente en el vértice de su trayectoria, y empezaba a caer, los científicos pudieron medir pequeñas diferencias entre el reloj en vuelo y el reloj situado en tierra.

Con una precisión de 70 partes por millón, Einstein tenía razón, de nuevo.

Nota del editor: una versión anterior de esta historia afirmaba incorrectamente que los giroscopios completarían 4.7 billones de revoluciones. La cifra correcta, citada arriba es 4700 millones.