NeoFronteras

Masa inercial y pesante

Área: Física — miércoles, 23 de junio de 2010

Según unos cálculos teóricos es posible crear una situación en el mundo mecánico-cuántico en la que los efectos de la masa inercial y pesante deben ser diferentes, incluso que estas diferencias pueden ser arbitrariamente grandes. Además esto se podría comprobar experimentalmente.

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Función de Wigner de los autovalores de energía en un potencial gravitatorio lineal para E=0 según una ecuación del artículo original. Fuente: ArXiv.

El tema de que la masa inercial sea distinta de la pesante es algo que aparece de vez en cuando en Física, aunque hasta ahora todas las medidas realizadas, incluso con muy alta precisión, dicen que ambas masas son exactamente la misma y que el principio de equivalencia sigue vigente. Esta equivalencia entre ambas masas es la basa sobre la que se asienta la Relatividad General.
Ahora aparece un nuevo resultado en teoría cuántica que vuelve sobre el tema.
El principio de equivalencia es una de las ideas más fascinantes de la Física moderna. Nos dice que la masa del principio de inercia, es decir, la que aparece en F=ma, es la misma que la que aparece en la ley de gravedad F=Gm1m2/r2. Esto permite afirmar que si estamos dentro de una nave espacial que acelera a 1g no podremos distinguir la fuerza que sentimos contra el suelo (hacia la parte de atrás de la nave) de la que sentiríamos debida al campo gravitatorio sobre la superficie de la Tierra.
Esto parece muy sensato porque desde que estábamos en la escuela hemos llamado a ambas masas “m” y las hemos asignado el mismo papel. Aunque hay modificaciones teóricas a la Relatividad que predicen que el principio de equivalencia no se cumple, una cuestión importante es si la Mecánica Cuántica tiene algo que decir al respecto. Pero los físicos han sido incapaces hasta ahora de usar la teoría cuántica para distinguir el comportamiento de la masa inercial y pesante (o gravitatoria).
Endre Kajari, de la Universidad de Ulm en Alemania y sus colaboradores han mostrado recientemente que es posible crear una situación en el mundo mecánico-cuántico en la que los efectos de la masa inercial y pesante son diferentes. Incluso muestran que estas diferencias pueden ser arbitrariamente grandes.
Su idea comienza apuntando a la distinción entre cinemática, que describe solamente el movimiento de los objetos, y dinámica, que tiene en cuenta el origen de ese movimiento, es decir, las fuerzas. En el mundo clásico no hay distinción entre ambos tipos de masas. Sin embargo, en el mundo cuántico la manera en la que los estados son preparados tiene una importancia muy grande. Así por ejemplo, según estos físicos, la función de onda de una partícula en una caja no depende de la masa de ninguna manera, mientras que la energía de la función de ondas de un oscilador armónico depende de la raíz cuadrada de la masa.
Todo esto lleva a una interesante idea: es posible crear combinaciones de cajas electromagnéticas y gravitatorias y osciladores en las que la masa inercial y pesante jueguen papeles diferentes.
Resulta que los físicos ya están jugando precisamente con este tipo de experimentos: los llamados trampolines atómicos, en los que una onda de materia cae bajo la influencia de la gravedad, pero es devuelta o rebota por una fuerza electromagnética. Calculan que los autovalores de energía de los átomos son proporcionales a la raíz cúbica del cuadrado de la masa pesante, pero proporcionales al inverso de la raíz cúbica de la masa inercial. Esto es un resultado realmente sorprendente. Además, si no es dentro de poco, en los próximos años se podrá construir un espectroscopio de energía para átomos o condensados de Bose-Einstein que pueda demostrar (o refutar) esa afirmación.
Si hay éxito, esta investigación proporcionará una manera totalmente nueva de estudiar la naturaleza de la masa y quizás llegar a comprender la confusa relación entre Relatividad General y Mecánica Cuántica.
Otro ejemplo de aplicación de estos conocimientos serían saber cómo se comportan ambas masas en las condiciones extremas reinantes dentro de los agujeros negros.

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Fuentes y referencias:
Technologie Review.
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5 Comentarios

  1. lluís:

    La sorpresa del día. ¿Adiós a la “idea más importante de mi vida”? Ahora que teníamos bien aprendida esa igualdad de masa inercial y masa gravitatoria… ¿deberemos olvidarnos del principio de equivalencia?… Claro que si se puede comprender la naturaleza de la masa, el precio a pagar sería poco. Lástima que siempre se deba esperar y esperar y esperar… y por el camino uno va y se muere.

  2. NeoFronteras:

    Sí, es lo malo. Y encima habrá gente en el futuro a las que no les importe nada y les guste más la telebasura en 3D.

  3. tomás:

    Amigo lluís:
    Me permito contestar aquí tu 4 del artículo “Ver por debajo de…” porque parece venir a cuento.
    En efecto, si esa sospechada diferencia se confirma, habrá que reajustar algo nuestra concepción de la realidad, pero no sé si nos ayudará a comprender la naturaleza de la masa o nos dejará dos interrogantes en vez de uno solo.
    Creo que he resuelto que la diferencia que nos separa es simplemente el concepto que cada uno tenemos de la metafísica. Cuando Einstein da por hecha la identidad entre las masas gravitatoria e inercial, creo recordar que hace una experiencia mental similar a la que el artículo dice en la última frase del segundo párrafo: Un viajero, en el interior de una cabina, provisto de una balanza de muelle, no puede distinguir entre la fuerza que le hace pesar -por tanto gravitatoria- p. e. 70 kg en reposo asentada sobre la superficie terrestre, de la que le proporciona una aceleración de la cabina, en el espacio, de 1g. Hasta aquí, para mí, Einstein hace metafísica. Y la sigue haciendo cuando supone esa igualdad que además, no tiene modo de comprobar. E incluso, aunque hubiese tenido una nave espacial con motor para conseguir esa aceleración, lo “macro” de la experiencia le hubiese dado el resultado de 70 kg; la balanza no tendría la exactitud suficiente para encontrar una diferencia. Estamos algo peor que con Gauss que, al menos, pudo realizar su comprobación.
    En la cena de que me hablas, Wood distingue y yo interpreto y califico (y perdón por la inmodestia): 1º “El físico tiene una idea.” -supongamos que sea sobre ciencia básica y concibamos la mente humana como un ordenador. Para mí, estamos en el modo “metafísica”, y la pongo “así” para distinguir que es mi metafísica, que quizá no coincide con el concepto que de ella se tiene, o el que tú apuntas como “verdades que se pueden reconocer sólo pensando en ellas”. Yo creo que esa concepción está obsoleta. ¿Hay algo, más allá de que existen entes y propiedades de toda índole, entre los que nos encontramos los humanos, los objetos, etc., de los que podamos afirmar un conocimiento sin dudas? 2º “Cuanto más piensa en ella…” -seguimos en el “modo metafísica”-. 3º “Cuanto más lee—” -ha empezado a informarse, a acumular información que es donde comienza el científico clásico (y otras variantes del conocimiento), así pues inicia el “modo científico”. 4º “Decide ir al laboratorio.” -sigue el “modo científico”. 5º “Concibe un experimento… Se comprueban las distintas posibilidades…” -ha llegado a la cúspide de lo científico-. 6º “Al final de todo su trabajo… -la decepción, su aceptación, le deja en el humano honrado, “modo humano”, que pudiera no ser tan honrado, como el tunante Haeckel, los de la fusión fría o el del hombre de Piltdown cuyos nombres es preferible no mencionar; ya ves que hasta en los fraudes hay matices-. 7º No lo dice Wood, pero lo digo yo y no podrás negarlo: luego se va a comer, a tomarse una copa o a cualquier indispensable acción fisiológica. Le adjudicaremos el “modo biológico”.
    En cuanto a la parajoda EPR, pues pura “metafísica”. E incluso las desigualdades de Bell yo las pondría en lo especulativo sobre la ciencia básica, características ambas que, en mi forma de pensar, definen esa “metafísica”. Bell utiliza una forma más ordenada, más estructurada de pensar, como cuando Heisenberg ve la concordancia del comportamiento cuántico con las matrices… Ahora bien, cuando alguien diseña un experimento para comprobar quién tiene razón, es un trabajo científico puro.
    Ya diferencio en mi 3 de “Ver por debajo…” que no me refiero a las variables ocultas de Einstein, que tenían cierta concreción, pues iban dirigidas a un objetivo preciso, sino a otras de toda índole que mal puedo identificar al ser desconocidas. Pero pudiera poner un ejemplo: Tras el Big Bang, necesitamos incluir una expansión del espacio que sobrepasa la velocidad de la luz, para no violar esa frontera y que cuadren las cifras. Soy escéptico en todo eso, aunque haya toma de datos del universo que pueden interpretarse así. Pero quizá pudieran interpretarse de otra forma. Por ello, ante mi incapacidad de ser yo quien resuelva, espero. Pues todo eso es “metafísica” y no creo que puedas ser ajeno a ello, ni que te aburra si aceptas esta forma de entenderla.
    Endre -ajari y sus muchachos, al dudar de la identidad entre una y otra masa, hacen “metafísica”; al diseñar el experimento, hacen ciencia.
    Un cordial saludo, y sí, vaya palizas que nos damos.

  4. lluís:

    Amigo tomás: He llegado a la conclusión de que efectivamente no diferimos en tanto.Tu concepto de la ontología (o de la metafísica) es lo suficientemente amplio como para que quepan muchos cosas en él.Como pequeña nota discordante insistiriá en que para hacer experimentos, primero, se quiera o no, se debe especular.Algo así como “si A es, debe ser B”. Claro que si a especular le quieres llamar “hacer metafísica” pues quizás esto sería una simple cuestión semántica.Y estariamos en lo de siempre, en “los juegos de palabras” que en muchas ocasiones son las cuestiones matafísico-filosóficas, pienso yo.
    En cuanto a las desigualdades de Bell, como ya sabrás, han sido violadas en distintos experimentos.Luego la MC está completa y no hay variables ocultas locales.De todos modos hay que hacer notar aquello en lo que tantas veces insiste Neo, y con razón,tenemos modelos de realidad, no la realidad misma.Y ya para terminar,no veo claro que estos físicos que dudan de la identidad de las masas, inercial y pesante, esten haciendo “metafísica”.Diría más bien que estan haciendo matemáticas.

  5. tomás:

    Mi buen amigo lluís: Como estoy deseando llegar a un acuerdo contigo, acepto, -al menos- que estén haciendo “metamáticas”.
    Un abrazo.

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