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Comprobar el principio de equivalencia

Proponen el lanzamiento para 2013 de un microsatélite especialmente diseñado para comprobar el principio de equivalencia.

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Proyecto Microscope. Foto: CNES / PTB.

En Física siempre se ha asumido que la masa inercial y la masa pesante es la misma. Así lo hicieron Galileo Galilei, Newton o incluso Einstein, cuya Relatividad General descansa fuertemente en este principio de equivalencia. Sin embargo, algunas teorías modernas, como la de supercuerdas, proponen que la masa inercial y la pesante pueden diferir muy ligeramente.
Cuando un estudiante resuelve por ejemplo un problema de poleas puede utilizar la típica receta de suma de fuerzas igual a masa “m” por aceleración “a”. Esta “m” sería la masa inercial y en el otro lado probablemente haya un término “mg” que da cuenta de la fuerza que ejerce la aceleración de la gravedad sobre una masa “m”, esta masa sería masa pesante. Siempre se asumen que es el mismo tipo de masa. Y esto es algo en lo que la gente con formación no suele reparar.
El principio de equivalencia se ha comprobado experimentalmente reiteradas veces. El grupo de Eöt-Wash, por ejemplo, hizo unos experimentos en los años ochenta con balanzas de torsión en los que comprobó que la masa inercial y la masa pesante difieren en menos de una parte en un billón. Ahora un grupo franco-alemán de investigadores quiere comprobar el principio de equivalencia con una precisión sin precedentes utilizando un satélite diseñado especialmente para este cometido. De momento denominan a este proyecto “Microscope”.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ha desarrollado los métodos de manufactura y medida para comprobar masas que se necesitan en experimentos de aceleración en órbitas bajas y ya ha construido las primeras piezas de prueba.
El espacio es un sitio ideal para este tipo de medidas pues en la superficie terrestre es imposible hacerlo con tanta precisión. Por eso, la agencia espacial francesa propone para 2013 un microsatélite en órbita baja que realice experimentos de aceleración para distintas masas. El dispositivo principal consistiría en un par de cilindros concéntricos anidados (ver imagen) que flotarían dentro del satélite en cuestión y que estarían en equilibrio entre la fuerza de gravedad terrestre (que actúa sobre la masa pesante del cilindro) y la fuerza centrífuga (que actúa sobre la masa inercial del mismo). Si el satélite es acelerado adecuadamente entonces el equilibrio de fuerzas se anula. Para hacernos una idea del tamaño se puede mencionar que el cilindro externo mediría 80 mm de largo por 60 mm de diámetro interno. Su superficie debe de estar pulimentada hasta una precisión de 0,2 micras.
La validación de estos experimentos de aceleración depende decisivamente de la calidad las masas empleadas. Sólo si la masa, forma, densidad y dilatación térmica de los cilindros son muy bien conocidas será entonces posible medir pequeñas diferencias entre la masa inercial y pesante con precisión.
En PTB ya han conseguido desarrollar procesos de manufactura para masas de prueba. Éstas están hechas de aleaciones especiales de titanio y de rodio-paladio. Las desviaciones en forma y dimensiones en las tres dimensiones espaciales de estas masas están en torno a la micra de precisión. Esto representa un desafío tecnológico tan enorme que prácticamente se alcanzan los límites teóricos de la maquinaría empleada para su confección.
Los prototipos obtenidos se están ya comprobando tanto el los laboratorios del propio PTB como en el centro de tecnología espacial aplicada de Bremen. Después de esta evaluación PTB fabricará las masas definitivas que portará el microsatélite.
Sólo añadir que descubrir que no se cumple el principio de equivalencia sería una sorpresa enorme y que lo más probable es que el principio resista este experimento, consiguiéndose, eso sí, una nueva cota en la precisión. Será entonces interesante saber qué dicen los físicos teóricos al respecto.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa de Physikalisch-Technische Bundesanstalt. [1]