Un bosquejo del legendario experimento de Galileo Galilei [Más información]

Hace cuatrocientos años – según dice la historia – Galileo comenzó a dejar caer cosas desde la Torre Inclinada de Pisa: balas de cañón, balas de mosquete, oro, plata y madera. Puede ser que haya contado con que los objetos pesados cayeran más rápido. No fue así. Todos tocaron el suelo al mismo tiempo, y así hizo un gran descubrimiento: la gravedad acelera todos los objetos a la misma velocidad, sin importar su masa o composición.

Esto es llamado hoy en día “Universalidad de la Caída Libre” o “Principio de Equivalencia” , y es una piedra angular de la física moderna. En particular, Einstein construyó su teoría de la gravedad, es decir, la teoría general de la relatividad, asumiendo que el Principio de Equivalencia es cierto.

Pero, ¿Qué pasa si es erróneo?|

“Algunas teorías modernas sugieren realmente en una manera muy sutil que la aceleración de la gravedad depende de la composición del objeto”, dice Jim Williams, físico en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, Jet Propulsion Laboratory) en la NASA. De ser así, la teoría de la relatividad necesitaría reescribirse, y habría una revolución en la física.

Un grupo de investigadores apoyados por la NASA van a probar el Principio de Equivalencia disparando rayos láser en la Luna.

“El Lunar Laser Ranging es uno de los instrumentos más importantes que tenemos para buscar defectos en la teoría general de la relatividad de Einstein”, dice Slava Turyshev, un científico investigador en el JPL quien trabaja con Jim Williams y otros en el proyecto.

Un conjunto retroreflector dejado en la Luna por astronautas del Apolo 14. Espejos similares fueron posicionados por astronautas del Apolo 11 y Apolo 15, y por un par de rovers Lunokhod de la era Soviética. [Más información]

Su experimento es posible porque, hace más de 30 años, astronautas de Apolo pusieron espejos en la Luna – pequeños conjuntos de retroreflectores que pueden interceptar rayos láser de la Tierra y rebotarlos de regreso. Usando los lásers y los espejos, los investigadores pueden enviar un rayo que rebotará en el espejo en la Luna y así comprobar con precisión su movimiento alrededor de la Tierra.

Es una versión moderna del experimento de la Torre Inclinada de Pisa. En vez de lanzar balas al suelo, los investigadores observarán la caída de la Tierra y la Luna hacia el Sol. Tal como las balas de mosquete y las balas de cañón lanzadas desde la Torre, la Tierra y la Luna están hechas de una mezcla diferente de elementos, y tienen distintas masas. ¿Se aceleran hacia el Sol a la misma velocidad? Si es así, el Principio de Equivalencia prevalece. Si no, veremos el comienzo de una revolución.

Una violación al Principio de Equivalencia se revelaría como un torcimiento de la órbita de la Luna, ya sea acercándose o alejándose del Sol. “Usando masas tan grandes como la Tierra y la Luna, podemos ser capaces de mostrar este sutil efecto, si es que existe”, menciona Williams.

Los científicos han estado rebotando señales en la Luna desde los días de las misiones Apolo. Hasta ahora, la teoría de la gravedad de Einstein – y el Principio de Equivalencia – se ha mantenido, salvo algunas partes, a una precisión de 10¹³. Pero eso no es suficiente para probar todas las teorías que compiten para derrocar a Einstein.

El actual lunar laser ranging puede medir la distancia a la Luna – aproximadamente 385,000 km – con un margen de error de 1.7 cm. A principios de este otoño, una nueva instalación financiada por la NASA y la Fundación Nacional para la Ciencia (National Science Fundation) incrementará esta exactitud diez veces dentro de los límites de solo 1 o 2 mm. Este salto en la exactitud significará que los científicos puedan detectar desviaciones de la teoría de Einstein diez 10 veces más pequeñas que lo actualmente posible, lo cual puede ser bastante sensible para encontrar la primera evidencia de defectos.

El lunar laser ranging trabaja disparando pulsos de luz láser a los reflectores en la superficie de la Luna y capturando los fotones que regresan. Aquí se muestra el experimento laser ranging en el Observatorio McDonald en la Universidad de Texas. [Más información]

Para lograr esa exactitud, la instalación, llamada Apache Point Observatory Lunar Laser Ranging Operation (APOLLO), debe medir el tiempo del viaje de ida y vuelta de los pulsos láser a la Luna en algunos picosegundos, o solo una billonésima parte de un segundo (10^-12). Se conoce la velocidad de la luz – es casi 300,000 km por segundo – así que las mediciones al tiempo del vuelo del pulso láser revelan a los científicos la distancia entre el telescopio APOLLO y el espejo situado en la superficie de la Luna.

¿Cómo logra el diseño de APOLLO esta mejora de 10 veces? En primer lugar, usa un telescopio más grande que el de la antigua instalación en el Observatorio McDonald en Texas – 3.5 metros contra 0.72 metros. El espejo más grande permite a la instalación APOLLO capturar más de los fotones de luz que regresan de la Luna, explica Tom Murphy, profesor en la Universidad de California, en San Diego, y el genio creador detrás del diseño de APOLLO. El telescopio más pequeño capta, en promedio, solo un fotón de regreso por cada 100 pulsos láser salientes (¡cada pulso contiene más de 10¹⁷ fotones!); el telescopio APOLLO captará cerca de 5 fotones por cada pulso, lo cual mejora grandemente la validez estadística de los resultados.

Se han tomado en cuenta varios trastornos posibles. La atmósfera de la Tierra, por mencionar uno, puede alterar la trayectoria del pulso de luz láser, de la misma forma que causa el parpadeo y destello de la luz de las estrellas. También los minúsculos movimientos tectónicos del suelo bajo el observatorio APOLLO, típicamente algunos centímetros por año, pueden torcer los resultados a largo plazo. Por eso los líderes del proyecto eligieron la cima de una montaña cerca de White Sands, Nuevo México, que goza de una atmósfera aérea particularmente tranquila y de un suelo que es relativamente estable. Además, están instalando un gravímetro superconductor y un sensor GPS de precisión junto al observatorio para detectar los lentos movimientos del suelo, y un conjunto de barómetros de precisión trazará el estado de la atmósfera.

La ubicación de los reflectores lunares. Los sitios marcados con “A” son sitios de aterrizaje de las misiones Apollo. Los sitios marcados con “L” denotan a los rovers Soviéticos Lunokhod. [Más información]

Williams y Turyshev han recibido recientemente una concesión de la Oficina de Investigación Biológica y Física de la NASA para mejorar el software de análisis del Lunar Laser Ranging perteneciente al JPL en un orden de magnitud que iguale la capacidad del sitio de Nuevo México. “Será necesario enfrentarse con muchos efectos pequeños a nivel milímetro”, menciona Turyshev.

Por medio de la cuidadosa contabilidad de tales efectos pequeños, la Universalidad de la Caída Libre… pudiera caer.

Muchos científicos le darían la bienvenida a las noticias. Han estado desconcertados durante años por una curiosa incompatibilidad entre la relatividad general y la mecánica del quantum. Las dos teorías, tan acertadas en sus propios reinos, son como idiomas distintos describiendo el Universo de maneras fundamentalmente diferentes. (Lea el artículo de Ciencia@NASA Suplantando a Einstein para aprender más sobre el tema). Encontrar defectos en las bases de la relatividad podría conducir a una nueva “Teoría del Todo”, combinando finalmente la física y gravedad cuántica en un mismo sistema armonioso.

De Pisa, Italia, a la Luna, a White Sands, Nuevo México: este es un experimento remoto atravesando cientos de años y centenares de millares de millas. Pronto, quizás, tendremos las respuestas.