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Utilizando haces de luz láser para hacerlos rebotar contra la Luna, los investigadores están comprobando una presunción fundamental de la física moderna.

Hace cuatrocientos años (o al menos así se cuenta la historia) Galileo Galilei comenzó a dejar caer cosas desde la Torre Inclinada de Pisa. Balas de cañón, balas de mosquete, oro, plata y madera. Podría haber esperado que los objetos más pesados cayeran más rápidamente. Pero no fue así. Todos golpearon contra el suelo en el mismo momento, y así hizo un gran descubrimiento: la gravedad acelera a todos los objetos a la misma velocidad, sin importar su masa o su composición.

Hoy en día, a esto se lo conoce como “universalidad de la caída libre” o “principio de equivalencia”, y es una piedra angular de la física moderna. En particular, Einstein elucubró su teoría de la gravedad, es decir, la teoría general de la relatividad, asumiendo que el principio de equivalencia es verdadero.

Pero, ¿y si no lo fuera?

“Algunas teorías modernas sugieren en realidad que la aceleración de la gravedad sí depende de la composición material del objeto, en una forma muy sutil”, dice Jim Williams, un físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA. Si esto es verdad, entonces la teoría de la relatividad debería ser re-escrita; habría una revolución en la física.

Un grupo de investigadores financiado por la NASA comprobará el principio de equivalencia disparando haces de rayos láser hacia la Luna.

“La medición por medio del láser lunar es una de las herramientas más importantes que tenemos para buscar errores en la teoría general de la relatividad de Einstein”, dice Slava Turyshev, un científico investigador de JPL que trabaja con Williams y otros en este proyecto.

El experimento es posible porque, hace más de 30 años, los astronautas de Apolo colocaron espejos en la Luna, pequeños conjuntos de retro-reflectores que pueden interceptar los haces láser provenientes de la Tierra y hacerlos rebotar directamente hacia atrás. Utilizando láseres y espejos, los investigadores pueden “tocar” la Luna y monitorear con precisión su movimiento alrededor de la Tierra.

Un diagrama del legendario experimento de Galileo Galilei

Es una versión moderna del experimento de la Torre Inclinada de Pisa. En lugar de dejar caer balas hacia el suelo, los investigadores observarán cómo la Tierra y la Luna caen hacia el Sol. Como las balas de cañón y de mosquete dejadas caer desde la Torre, la Tierra y la Luna están hechas de mezclas diferentes de elementos, y tienen masas diferentes. ¿Son aceleradas hacia el Sol a la misma velocidad? Si la respuesta es “sí”, el principio de equivalencia es correcto. Si no, comienza la revolución.

Una violación del principio de equivalencia se revelaría como una torcedura de la órbita lunar, ya sea hacia el Sol o en dirección opuesta. “Utilizando masas tan grandes como las de la Tierra y la de la Luna, podremos detectar este efecto sutil, si es que existe”, hace notar Williams.

Los científicos han estado “tocando” la Luna desde los días de las Apolo. Hasta ahora, la teoría de la gravedad de Einstein (y el principio de equivalencia) se han mantenido, con una precisión de unas pocas partes en 10¹³. Pero eso no es lo suficientemente bueno como para comprobar todas las teorías que intentan destronar a Einstein.

Las mediciones láser actuales de la Luna pueden medir la distancia hasta ella, aproximadamente unos 385 000 kilómetros, con un error de unos 1,7 centímetros. A partir de este otoño (boreal), una instalación financiada por la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias mejorará esta precisión en 10 veces, llevándola a apenas 1 o 2 milímetros. Este salto en la precisión significará que los científicos podrán detectar desviaciones de la teoría de Einstein que serán menores por un factor de 10 que las actualmente posibles, lo que significa que serán lo suficientemente sensibles como para descubrir las primeras evidencias de errores.

Para lograr esta precisión, la instalación, conocida como Operación de Medición Láser Lunar del Observatorio de Apache Point (APOLLO), deberá cronometrar el viaje de ida y vuelta hacia la Luna de los pulsos láser con un error máximo de unos pocos picosegundos (apenas una billonésima de segundo, o 10^-12). La velocidad de la luz es conocida exactamente (unos 300 000 kilómetros por segundo), de modo que la medición del tiempo de viaje del pulso láser le dirá a los científicos la distancia existente entre el telescopio APOLLO y el espejo situado en la superficie de la Luna.

Un conjunto retro-reflector dejado en la Luna por los astronautas de la Apolo 14. Espejos similares fueron colocados por los astronautas de las Apolo 11 y 15, y por un par de vehículos todo terreno Lunokhod de la era soviética.

¿Cómo es que este diseño de APOLLO consigue esta mejora de un factor de 10? Antes que todo, utiliza un telescopio más grande que el de la antigua instalación del Observatorio McDonald en Texas: 3,5 metros contra 0,72 metros. El espejo más grande permite a la instalación APOLLO capturar más fotones de regreso de la Luna, según explica Tom Murphy, un profesor de la Universidad de California, San Diego, y cerebro maestro detrás del diseño APOLLO. El telescopio más pequeño captura, en promedio, solamente un fotón de regreso por cada 100 pulsos láser enviados (¡cada pulso contiene más de 10¹⁷ fotones!), mientras que el telescopio APOLLO capturará unos 5 fotones por cada pulso, lo que mejorará grandemente la fuerza estadística de los resultados.

Se tendrán en cuenta varias perturbaciones potenciales. Por ejemplo, la atmósfera terrestre puede distorsionar el sendero del pulso láser, de la misma forma en que hace que la luz de las estrellas parpadee y disminuya. Y diminutos movimientos tectónicos del suelo debajo del observatorio APOLLO, típicamente de unos pocos centímetros cada año, podrían distorsionar los resultados a largo plazo. De modo que los líderes del proyecto eligieron una cima montañosa cerca de White Sands, en Nuevo México, que goza de una atmósfera particularmente calma sobre ella y de un terreno que es relativamente estable. Además, están instalando un gravímetro súper-conductor y sensores GPS de precisión por todo el observatorio a los efectos de detectar pequeños movimientos del suelo, y un conjunto de barómetros de precisión que controlarán el estado de la atmósfera.

La medición láser lunar funciona disparando haces de luz láser hacia reflectores en la superficie de la Luna y capturando los fotones de regreso. Aquí se muestra el experimento de medición láser del Observatorio McDonald de la Universidad de Texas.

Recientemente, Williams y Turyshev han recibido una beca de la Oficina de Investigación Biológica y Física de la NASA para mejorar en un orden de magnitud el programa de análisis de medición láser lunar de JPL, a los efectos de igualar la capacidad de la instalación de Nuevo México. “Será necesario manejar muchos efectos pequeños, en el nivel de milímetros”, hace notar Turyshev.

Teniendo en cuenta con mucho cuidado esos efectos pequeños, la universalidad de la caída libre... podría caer.

Muchos científicos dan la bienvenida a estas noticias. Por años, han quedado perplejos por una curiosa incompatibilidad entre la relatividad general y la mecánica cuántica. Las dos teorías, tan exitosas en sus propios reinos, son como lenguajes diferentes que describen al universo en formas fundamentalmente distintas.

El hallazgo de una falla en las bases de la relatividad podría llevar a una nueva “teoría del todo”, combinando finalmente la física cuántica y la gravedad en un marco armonioso.

Desde Pisa, en Italia, hasta la Luna, y hasta White Sands, en Nuevo México, este es un experimento de gran alcance que se extiende por cientos de años y cientos de miles de kilómetros. Pronto, quizás, tendremos las respuestas.

- MÁS INFORMACIÓN - por Heber Rizzo
Galileo, la Torre de Pisa y la Luna:

El 2 de agosto de 1971, cuando se encontraba en la superficie de la Luna, el Comandante de la nave Apolo 15 David R. Scott, realizó un pequeño experimento.

“Bien”, dijo, “en mi mano izquierda tengo una pluma, y en la derecha tengo un martillo. Creo que una de las razones por las cuales estamos hoy en día aquí, fue porque un caballero llamado Galileo, hace mucho tiempo, realizó un descubrimiento bastante significativo sobre los campos gravitatorios. Y pensamos, ¿cuál podría ser un lugar mejor, para confirmar sus hallazgos, que la Luna?

La cámara se acerca a las manos de Scott, en una de ellas una pluma, en la otra un martillo. Luego se aleja y muestra al módulo de descenso lunar (bautizado como Falcon) y el horizonte lunar. Scott sigue hablando: “Y entonces pensamos que lo intentaríamos aquí, para que ustedes lo vieran. La pluma resulta ser, apropiadamente, una para nuestro Falcon (halcón). Y dejaré caer ambas cosas aquí y, con suerte, llegarán al suelo al mismo tiempo”. Scott suelta el martillo y la pluma, y ambos objetos golpean el suelo aproximadamente al mismo tiempo. Scott continúa: “¡Vaya! El Sr. Galileo estaba en lo correcto”.

Galileo Galilei (1564-1642)

¿Cómo comenzó la leyenda? El descubrimiento que mencionó el astronauta Scott, es decir, que objetos de masa diferente caen a la misma velocidad en el vacío, está asociado con una única persona, Galileo Galilei, y con un único lugar, la Torre Inclinada de Pisa. El culpable es Vincenzio Viviani, secretario de Galileo durante los últimos años de la vida del científico.

Debemos muchas de las leyendas de Galileo a la cálida biografía realizada por Viviani. Una de ellas es la historia de cómo Galileo subió a la torre y, “ante la presencia de otros maestros y filósofos y de todos sus alumnos”, demostró con repetidos experimentos que “la velocidad de los cuerpos en movimiento de la misma composición, pero de diferentes pesos, moviéndose a través del mismo medio, no se mueven en proporción a su peso como dijo Aristóteles, sino que se mueven a la misma velocidad”.

En sus propios libros, Galileo utiliza experimentos mentales para sostener que los objetos de masas desiguales caen juntos en un vacío. Sin mencionar a la Torre Inclinada de Pisa, informa que “ha realizado pruebas” con una bala de cañón y una bala de mosquete.

Sorprendentemente, lo que en realidad descubrió Galileo es que las dos balas no caían exactamente juntas. Este hecho, unido a que la biografía de Viviani es la única fuente que menciona que los experimentos se realizaron en la Torre Inclinada, hace que muchos historiadores de la ciencia duden de la versión de Viviani sobre los hechos.

Los historiadores dicen también que Galileo no fue el primero el realizar estos experimentos de caída de objetos. Ya en el siglo VI, otros eruditos que dudaban de los conceptos aristotélicos sobre el movimiento, habían comenzado a realizar experimentos con cuerpos que caían, y habían llegado a la conclusión de que Aristóteles estaba equivocado. Entre ellos se incluyen a varios italianos del siglo XVI, uno de ellos el predecesor de Galileo como profesor en Pisa.

Resulta también intrigante el informe de Galileo sobre sus experimentos, donde dice que las balas de peso desigual no solamente caen a diferente velocidad, sino que la más liviana aventaja inicialmente a la más pesada, hasta que esta última la alcanza. A principios de la década de 1980, el historiador de la ciencia Thomas Settle intentó repetir los experimentos de Galileo y, sorprendentemente, notó lo mismo. Sugirió entonces que la fatiga inducida en la mano que sostenía al objeto más pesado tendía a hacer que lo dejara caer más lentamente, aún cuando el experimentador creyera que los objetos eran liberados simultáneamente.

Páginas web relacionadas

-- Gravedad cuántica de verdad

-- La física del viaje en el tiempo

-- ¿Hacia una nueva prueba de la relatividad general?

-- ¿Una mejora en la teoría gravitatoria de Einstein?

Traducido para Astroseti.org por
Heber Rizzo Baladán

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Web Site: First Science
Artículo: “Was Galileo Wrong?”
Autor: Dr Tony Phillips and Patrick L Barry
Fecha: Marzo, 2006

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