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Concepto de masa modificada

Área: Física — jueves, 13 de enero de 2011

Proponen una modificación sobre la masa inercial de tal modo que se puede explicar la inflación y la materia y energía oscuras.

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A todo científico le gusta lo que no se sabe, porque ello implica un misterio, algo susceptible de ser investigado y estudiado. Si hay algo en la Naturaleza que no se sabe explicar, entonces rápidamente van a sus laboratorios o despachos a intentar explicarlo. Es ahí donde está el componente de aventura de la ciencia, que incluye más decepciones que fortuna.
Desde hace un tiempo no se sabe explicar por qué el Universo es tan plano, homogéneo e isótropo si asumimos que procede de un Big Bang. También parece haber más masa en él de la que podemos ver y tampoco sabemos explicar muy bien por que parece que la expansión del mismo está acelerándose.
Para el primer problema se propuso la inflación cósmica, un periodo muy corto al poco de suceder el Big Bang en el que se dio una expansión acelerada que luego cesó. El coste fue introducir un extraño campo escalar (no vectorial) que no sabemos muy bien de dónde viene.
Para el segundo problema hemos asumido que debe de haber materia no ordinaria (no bariónica) compuesta por partículas exóticas que dé cuenta de la masa que falta. Y para el tercer caso se ha propuesto una energía oscura similar en comportamiento a la constante cosmológica de Einstein.
Claro que éstas no son las únicas explicaciones. Así por ejemplo, se propuso en su día modificaciones de las leyes de gravedad que diera cuenta de estas “oscuridades”. Son las famosas MOND.
Ahora Willi R. Böhm, del Fachhochschule Würzburg–Schweinfurt, propone un nuevo concepto. Según él estos problemas se podrían explicar si asumimos que la masa no es como creemos y que hay que modificar el concepto que tenemos de ella.
Sabemos que conceptualmente no es lo mismo la masa pesante (la que nos pega al suelo o su contenido en energía) que la inercial (la que nos hace ir hacia adelante en un frenazo dentro de nuestro auto). Normalmente a ambas las llamamos m y asumimos que es la misma, entre otras cosas porque en las pruebas de laboratorio se ha demostrado, hasta un determinado nivel de precisión, que tienen el mismo valor.
Böhm introduce el concepto de Modified Mass Concept (MMC) en el que la masa inercial no está determinada solamente por su contenido de energía, sino que depende de un campo escalar f producido por otras masas presentes. Sería algo así como:


min=f(r)mg.

Lo bueno de este concepto es que puede ser incorporado a las teorías físicas establecidas de una manera sencilla.
El concepto describe consistentemente las curvas de rotación de las galaxias (las que hicieron pensar sobre la presencia de la materia oscura por primera vez), la inflación del universo y su expansión acelerada en la actualidad. Todo ello sin echar mano de materia y energía oscuras.
El efecto atribuido a la materia oscura estaría causado por una reducción de su inercia que reforzaría el efecto de la gravedad. Este resultado es similar al alcanzado por las MOND.
De este modo, y según el concepto de masa modificada, la masa inercial no sólo dependería de su energía en reposo sino además de la influencia de un campo escalar generado por otras masas, surgiendo así nuevas fuerzas inerciales.
Estas fuerzas son siempre repulsivas y favorecen una disminución de la masa inercial. La aceleración provocada por estas fuerzas termina además siendo independiente de la masa a grandes distancias.
Por otro lado, una reducción de la inercia tiene como efecto un reforzamiento de la fuerza de gravedad. Este efecto explicaría las curvas de rotación de galaxias y no haría falta recurrir a la materia oscura. No hay más gravedad, sino menos inercia. El mismo efecto explicaría la formación de estructuras a gran escala del Universo sin necesidad de recurrir a la materia oscura.

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Curvas de rotación (velocidad en m/s frente a distancia a su centro) de una galaxia predichas por MOND (línea discontinua) y por MMC (línea continua). Los datos reales son representados por puntos con sus correspondientes barras de error. Fuente: Willi R. Böhm.

La introducción de una nueva ecuación de estado para la materia bariónica tiene propiedades muy interesantes durante el Big Bang, justo después del tiempo plankiano. En ese momento se daría la inflación y el campo escalar tendría un valor nulo para pasar, acto seguido, a tener un valor igual a 1 por ruptura de la simetría, deteniéndose así la inflación. Sería por tanto, una transición de fase con su propio parámetro orden. Aunque parezca un poco raro el concepto de transición de fase está bien descrito en Física de la Materia Condensada y permite explicar la conversión de hielo en agua, la existencia de helio superfluido o la aparición de la superconducción.
Bajo esta perspectiva de MMC, tanto el estado inicial como final del Universo se pueden explicar como un estado sin inercia.
Este concepto también explicaría las inusualmente altas velocidades de galaxias lejanas medidas gracias a las supernovas de tipo Ia. La expansión del universo se acelera, pero no debido a una energía oscura o a una constante cosmológica, sino a la inercia. De este modo, al universo le cuesta cada vez menos expandirse porque la materia que contiene ofrece menos resistencia al movimiento (menos inercia).
El autor advierte que aunque su modelo no necesita ni materia ni energía oscuras, no niega su existencia. Éstas pueden existir, pero que su abundancia y valor pueden ser mucho menores que lo asumido hasta ahora.
Obviamente este concepto es sólo una idea que hay que desarrollar. El trabajo de este investigador se encamina a demostrar el potencial de esta idea, que al final este concepto se transforme en un buen modelo o en una nueva teoría física dependerá de más trabajo por hacer y de más observaciones por realizar.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3361

Fuentes y referencias:
Artículo en ArXiv.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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14 Comentarios

  1. radek:

    Al final va a terminar siendo como en Mundo Anillo y fuera de un sistema solar si se podra superar la velocidad de la luz.

  2. Nemo:

    ¿El principio de Mach?

  3. Cohel:

    Así sin analizar mucho da la impresión de que este hombre ha buscado una funcion “a la medida” de las observaciones: una que se ha adapte al universo inflacionario en una escala, a la rotación de las galaxias a otra, y a la expansión del universo actual a otra (¿habrá tenido en cuenta la desviación de la Pionner tambien?). Parece un poco artificioso, pero, por supuesto, lo que demostraría la validez de esta idea es la capacidad hacer predicciones que puedan ser comprobadas por la observación.

  4. tomás:

    Estimado Neo: El artículo me parece lleno de ilusionantes sugerencias que sólo intuyo, acostumbrado como estoy a la igualdad entre masa inercial y pesante (¿por qué no la llamas gravitatoria?). Y es que, puesto que podemos admitir la deformación del espacio por la presencia de masas, en mi personal explicación de la realidad, esa masa inercial de que hablas al coger una curva yo la asimilo al inverso de la deformación del espacio -la curva que el móvil recorre en un espacio no deformado-, lo que origina la manifestación de la masa como inercial -así preservo la igualdad de ambas-. Lo mismo sucede al frenar o acelerar, aunque la deformación es muy ligeramente distinta -me entiendo imaginando deformación lateral en el primer caso y frontal, aplastando o estirando el espacio en el segundo-. Pueden existir combinación de ambas, p. e. al frenar o acelerar en curva.
    Lo que más me gusta -quizá me equivoco- es que parece debo entender que, al igual que las masas deforman el espacio, la existencia de otras y por tanto la añadida deformación que originan, influye en la magnitud, en la medida, de las otras masas. Así pues hay una influencia mutua entre el espacio y la masa: la masa deforma el espacio y la deformación modifica la masa, lo que me parece muy razonable.
    En resumen, que intento no cambiar mi concepción, adaptándome, aunque siempre me rendiré a la evidencia.
    Te agradecería algún comentario a ver si he entendido más o menos correctamente el artículo, no que esté de acuerdo al 100% con él, como se puede notar. En la fórmula, la masa inercial es igual al escalar f por un vector r y por la masa gravitatoria.
    Puedas hacerlo o no, recibe mi previo agradecimiento -aunque solo sea por despertarme la inquietud y resolverla a mi manera-. Un cordial saludo.

  5. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    La idea es mucho más intuitiva de lo que parece a primera vista. Digamos que los efectos de una masa se dividen en dos dependiendo qué consideremos: el contenido de energía (E=mc2) o masa gravitatoria mg y los efectos de inercia de esa masa. Esta masa inercial min dependerá de las masas que la rodean según un campo escalar f(r) pero será proporcional a mg. La función f(r) es una función que depende de la posición r. Es lo que se explicita con:


    min=f(r)mg

    Si no hay nada en movimiento no hay inercias y todo esto no influye. Si hay movimiento, como la inercia cambia, cambia el movimiento respecto a lo que se tendría si ambas masas fueran exactamente iguales.
    Las estrellas de una galaxia en rotación se mueven y a la vez están sometidas al campo gravitatorio del conjunto. En apariencia parece como si hubiera más masa de la que se ve, pero en realidad hay casi tanta masa como la que se ve y el efecto en el movimiento de estas estrellas se debe a su inercia, que es distinta a la que pensamos.
    Lo mismo se puede decir para la aceleración, cósmica, la inflación, etc.
    Todo si esta idea es correcta, pero, como muchas otras, es sólo un juguete teórico. El tiempo dirá si va a buen puerto, pero probablemente tenga pocas posibilidades.

  6. lluís:

    De acuerdo con Nemo, yo también he pensado en Mach.
    Saludos.

  7. lluís:

    Por cierto, es de suponer que con tal modificación del concepto de masa, se sigue conservando la homogeneidad y la isotropía del universo.
    Sí, será un bonito juguete teórico; pero cargarse esas “oscuridades”, resultaría práctico.Al propio Einstein le decían que sus teorias relativistas eran un juguete teórico, cuando no le trataban de chiflado.Como tomás, también estoy acostumbrado a eso de que masa inercial y masa gravitatoria sean lo mismo; pero si hay que desacostumbrarse se desacostumbra uno (cuando proceda, o sea tras la experimentación y validación de “juguete teórico”)
    Saludos.

  8. joabbl:

    Por lo que yo se el principio de Mach es muy vago y admite muchas formulaciones. Una de las más generales es que la inercia de un cuerpo depende del resto de cuerpos del universo (casi nada). Si como dice Neo “Esta masa inercial min dependerá de las masas que la rodean según un campo escalar f(r) pero será proporcional a mg.”, de eso precisamente estamos hablando. Einstein tuvo muy en cuenta este principio en la formulación de sus teorías, pero, por lo poco que yo se, posteriormente se distanció de él. La cuestión sería cómo se ejerce esta influencia. Suena un poco como la “acción a distancia”. Y como el “entanglement” de la MC. Mucho trabajo por hacer. Ojalá lo veamos.

    Saludos

  9. Gerardo:

    Algo como esto pudiera explicar lo de las naves pionner

  10. NeoFronteras:

    Es verdad que esto recuerda al principio de Mach, pero no es lo mismo. El autor admite que parece un revival de un antiguo debate y que los experimentos en laboratorio dicen que ambas masas son iguales. La razón de que estos conceptos de masa suenen raro se debe a la educación que hemos recibido. Se nos dijo que la “m” de F=mg y la “m” de F=ma eran la misma y así lo hemos interiorizado.
    Dado que esta idea genera una especie de inflación también garantiza la homogeneidad e isotropía del Universo.
    En cuando a lo de la Pionner en el artículo no se dice nada.
    Pero de nuevo hay que tomar todo esto con todas las reservas.
    En el gráfico de arriba falta por ejemplo lo que predice para la rotación de galaxias el modelo de materia oscura.

  11. lluís:

    La verdad es que cada vez me gusta más esta idea, así que leo y releo esta nota y me pongo a reflexionar sobre cuestiones de la vieja mecánica clásica, más que nada para tratar de asimilar la idea de que esa “m” no fuera la misma en F=mg que en F=ma.Pero ahora me acabo de centrar en lo que se dice al principio de este artículo:” A todo científico le gusta lo que no sabe…Pues sí.Y creo que a bastantes les pasa lo mismo.Pero por desgracía en este país y seguro que en muchos otros también son muchisimos los que que no solo se molestan en tratar de saber unas mínimas cuestiones, sino que encima odian lo que ignoran.Todavía quedan facultades en las que gente que estudia ciencias y en las que la totalidad de los alumnos de un clase sigue creyendo que nunca estuvimos en la Luna.O cosas por el estilo.En fin es lo que hay, pero preocupa que no se consiga invertir la situación de una vez por todas.
    Saludos.

  12. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Salvo en determinados círculos ni siquiera se pueden sacar cierto tipo de temas en las conversaciones. Si la gente tuviera tanta pasión por la ciencia como tiene por la política, deportes o prensa rosa el mundo sería un lugar mucho mejor y, sobre todo, mucho más interesante.

  13. tomás:

    Estimado Neo:
    Gracias por aclararme la fórmula.En principio yo la había entendido tal como dices en tu 5, pero me despistó que sólo te refirieras a f y no a f(r). Parece que he comprendido el artículo.Únicamente tengo que meditar bien el párrafo antepenúltimo del comentario.
    Un cordial saludo.

  14. tomás:

    Estimados lluís, Nemo y joabbl: Leí lo del principio de Mach en el 2 de Nemo y lo pasé por alto -mis excusas-, no por otra cosa sino por mi desconocimiento. A veces creo que la ignorancia es algo por lo que debiéramos pedir perdón. Si así fuera, lo pido. Aunque lo más importante es salir de ella. Al leer los 6 y 7 de lluís, inmediatamente, me fui Wikipedia a informarme y mi asombro fue mayúsculo, pues, en mi concepto del Universo, ya participaba en mucho, sin saberlo, de esas inquietudes y supuestos. Sólo había-hay una diferencia que, en el fondo no existe, puesto que en ambos casos es entelequia. Se trata de que yo sustituyo la idea de esas estrellas supermasivas y más que lejanas -al parecer imposibles de certificar- por un imaginario centro de gravedad universal, a sabiendas de que es una ficción similar a la que utilizamos cuando decimos que la altitud media delas tierras emergidas está tantos cientos de m sndm, cuando sabemos que eso es un artificio. Los fenómenos se dan en una topografía real. Pero, a mi entender, también lo es suponer estrellas supermasivas y superlejanas, tanto que quizá su radiación electromagnética aún no ha llegado a nosotros. Creo que lo verdaderamente cierto es aquello que manifiestamente existe o lo que pudiera existir si admitimos y/o suponemos la materia oscura y la energía oscura; la primera real pero de dificultosa detección y casi imposible cuantificación directa y la segunda más hipotética.
    En cuanto a lo que destaca joabbl en su 8, mi interpretación es ligeramente distinta. No es que la presencia de una masa no influya en otra, sino que, más propiamente, la deformación del espacio que origina una de ellas, modifica la otra.Posiblemente sea lo mismo, pero así interpreto o aproximo lo que dice Neo a mis conceptos: “…la masa inercial no está determinada solamente por su contenido en energía, sino que depende de un campo escalar f producido por otras masas presentes.” Porque si cualquier deformación estuviera producida por causas que ahora no podamos imaginar, no serían precisas esas masas y el efecto dependería sólo de la modificación del espacio.
    Y es que todo parece influir en todo.
    Un día que venga a cuento os contaré mi idea sobre una relación más intima entre la masa y el espacio. Ahora no me atrevo a decirlo porque lo más seguro es la mayor tontería que se haya dicho en los siglos.
    En fin, como termina joabbl: “Ojalá lo veamos”
    Un cordial saludo.

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