NeoFronteras

¿Existen los gravitones masivos?

Área: Física — sábado, 14 de septiembre de 2013

Las teorías que proponen gravitones masivos podrían explicar la naturaleza de la energía oscura.

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Un haz láser rebota sobre un reflector lunar. Fuente: NASA.

En un congreso de cosmólogos celebrado en Cambridge la semana pasada se debatieron las últimas ideas controvertidas sobre la naturaleza de la energía oscura, esa misteriosa energía que hace que el Universo se expanda cada vez más deprisa y que desde mediados de los noventa del pasado siglo todavía no se ha logrado saber qué es.
Generalmente se asume que la energía oscura es una suerte de constante cosmológica, una energía del vacío que provoca esa expansión acelerada. En principio no hay un gran problema en asumir que exista una energía del vacío, pues las Teoría Cuántica de Campos predice una energía no nula para el espacio vacío, pero la predicción es 120 órdenes de magnitud mayor que lo observado. Si fuera tal y como predice esa teoría, el Universo se habría expandido de tal modo al comienzo que no se hubieran formado las galaxias y nosotros no estaríamos aquí para discutir estas cosas. Se puede imaginar que esa energía sea cancelada exactamente por algún fenómeno desconocido y que sea exactamente cero. Pero no que sea cero “más un poquito”, esto equivaldría a algo casi milagroso en Física. Otra posibilidad es que esa energía del vacío se cancele exactamente hasta ser cero y que la energía oscura sea otra cosa.
Una nueva explicación se propuso en 2010 por Claudia de Rham, de Case Western Reserve University en Cleveland, y sus colaboradores. Según esta nueva propuesta la energía oscura podría ser provocada por un “gravitón” masivo. Este tipo de ideas pertenece a una serie de teorías en las que el campo gravitatorio es mediado por un gravitón que tiene masa.
Normalmente se asume que los gravitones son bosones de spín 2 sin masa, pues además es la única posibilidad para que la fuerza de la gravedad ejerza una influencia a la velocidad de la luz. La Teoría Cuántica de Campos en la que se basa el Modelo Estándar propone que cada campo está mediado por un bosón (partícula de spín entero). De este modo el electromagnetismo está mediado por lo fotones, la fuerza fuerte por los gluones, la fuerza débil por la W y Z y la gravedad por los gravitones. En el primer caso y en el último los bosones mediadores no tienen masa para que su acción pueda darse a una distancia arbitraria, aunque en los otros casos no es así, pero además no es necesario porque esas son fuerza de corto alcance, pues son las que determinan la cohesión nuclear y las desintegraciones radiactivas respectivamente.
La gravedad es de largo alcance y, obviamente, sentimos la gravedad del Sol que se encuentra lejos. De hecho, se puede determinar la atracción gravitatoria entre galaxias. Así que casi todos los físicos asumen que el gravitón no tiene masa.
Pero si los gravitones tuvieran masa, aunque esta fuera muy pequeña, podrían proporcionar una explicación a la aceleración de la expansión del Universo.
Para compaginar lo que observamos acerca de la gravedad en el Universo con esta nueva idea los gravitones masivos, estos tienen que tener entonces una masa muy pequeña. Según Rham y sus colaboradores si esta se mantiene por debajo de los 10-33 eV/c2 las observaciones serían compatibles con esta idea de un gravitón masivo. Para hacernos una idea de esta masa tan pequeña recordemos que los neutrinos tienen del orden de 1 eV/c2 y el electrón de 511.000 eV/c2.
Un gravitón masivo, aunque sea tan poco masivo, absorbería casi toda la energía del vacío y dejaría detrás un pequeño residuo de energía del vacío. Esa energía residual sería lo que llamamos energía oscura y provocaría la aceleración de la expansión del Universo.
Al principio esta solución atrajo la atención de los expertos del campo pues solucionaba el problema de la energía oscura sin necesidad de invocar nuevas fuerzas, campos, partículas o dimensiones extras. Una de las preocupaciones sobre esta teorías es que contengan fantasmas que predigan cosas raras como energías negativas y otros fenómenos no observados en la Naturaleza. La aparición de estas entidades destruye la teoría que las contiene. Rham mantiene que su teoría está libre de campos fantasma.
Algunos investigadores, como Sayed Fawad Hassan de la Universidad de Estocolmo o Rachel Rosen de Columbia University han propuesto variaciones a la teoría original que están libres de fantasmas gracias a que han combinado gravitones masivos y sin masa. Aunque exige dos tejidos espacio-temporales interaccionando entre sí. En el congreso o reunión de Cambridge se presentaron una serie de modelos basados en esta última idea de la interacción entre dos tejidos que además proporciona un mecanismo para la expansión acelerada sin necesidad de invocar una energía del vacío. Lo malo es que la simplicidad de la idea original se pierde en estos nuevos refinamientos que la hacen menos elegante.
Naturalmente el problema reside, como siempre en ciencia, en calcular predicciones que puedan ser contrastadas con la realidad observable y que las distingan de las teorías gravitatorias tradicionales.
Lo interesante es que parece que sí hay tales predicciones. Así por ejemplo, estos modelos predicen que la interacción entre la Luna y la Tierra sea ligeramente diferente y que la precesión lunar varíe en una parte en 1012. Esto podría ser medido gracias a los reflectores lunares y al uso de láseres que se envían desde la superficie terrestre. Sólo hay que mejorar la tecnología para aumentar la precisión un poco más. Muchos de estos reflectores fueron dejados allí por las misiones Apolo y se han usado rutinariamente para medir la distancia de la Tierra a la Luna con extrema precisión.
Hasta que no se mejore la precisión y se logre medir este efecto el resto de la comunidad científica permanecerá escéptica a estas teorías. Pero al menos hay que decir que estas teorías son mucho más científicas que otras que no predicen nada comprobable.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4192

Fuentes y referencias:
Noticia en Nature.
Artículo I.
Artículo II.
Artículo III.
Artículo IV.
Artículo V.

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

  1. Dr. Thriller:

    De todos modos, un gravitón con masa, o muy equivocado estoy, introduce más problemas (muchos más) de los que resuelve. Por así decir, me arregla ciertos desajustes a escala cósmica y me los crea a todas las escalas. Claro que esto es totalmente independiente de que sea así o no.

    Además, gravitones con masa (suponiendo que existan, etc.) traen otro problema mucho más serio: la fuerza gravitatoria NO se transmitiría a la velocidad de la luz, sino ligeramente más lenta. Existirían desacoplamientos en muchos fenómenos cósmicos.

  2. NeoFronteras:

    Por nos saber no sabemos siquiera si los gravitones normales realmente existen. Puede que el campo gravitatorio sea realmente diferente a los demás. Quizás nos empeñamos en llamar “fuerzas” o “campos” a cosas muy distintas.

  3. thetimethespaceandandtheman::

    “Por nos saber no sabemos siquiera si los gravitones normales realmente existen. Puede que el campo gravitatorio sea realmente diferente a los demás. Quizás nos empeñamos en llamar “fuerzas” o “campos” a cosas muy distintas.”

    Me has quitado la respuesta.

    En este punto no puedo dejar de recordar una paradoja de hace unos meses, no recuerdo si de Dr. Triller u otro conterutlio, pero muy sensata.

    ¿Si nada puede ir mas rapido que ‘c’, y el campo gravitatorio se comunica con particulas portadors (Bosones como el foton),Como puede un agujero negro presentar campo gravitatorio externo?.

    Si, este es uno de esos ‘puntos negros’, nunca, jamas, se ha hallado la mas minima prueba empirica ni de gravitones, ni de ondas gravitatorias.

    Y por cierto, la de toneladas de papeles especulativos que se han hecho con ellos.

    Hay tantas pruebas de su existencia, como del oso yogui. :),,,,,,

  4. Dr. Thriller:

    Las ondas gravitatorias sí tienen prueba empírica ya. Se ha comprobado en sistemas de estrellas de neutrones binarias que giran una aldededor de otra, como la emisión de esas ondas les hace perder energía y se aproximan cada vez más (debido a la intensidad extraordinaria de las susodichas y las condiciones). Es decir, el marco teórico explica perfectamente la disminución de distancia y período.

  5. NeoFronteras:

    No hay pruebas directas de la existencia de ondas gravitatorias, que, por cierto, son predichas por la Relatividad General (RG), que es una teoría clásica no cuántica. Sólo hay pruebas indirectas a partir de sistemas binarios de púlsares. Si existieran, tampoco significaría que hay un cuanto asociado (gravitón) para estas ondas, pues según la RG son distorsiones del espacio que se propagan. No son un campo en propagación.
    Y aquí viene el problema. Hay dos posibilidades según lo que a día de hoy sabemos y a falta de una teoría cuántica de la gravedad:

    1: Asumimos que la RG es correcta y describe una ontología y que, por tanto, la gravedad es una distorsión del espacio-tiempo. Entonces los gravitones no existen o existen sólo como modelo gnoseológico de la realidad en una teoría cuántica de campos por descubrir.

    2: La gravedad se comporta como si fuese una distorsión del espacio-tiempo, pero en realidad el espacio no está distorsionado, sólo lo parece. La RG es sólo un modelo gnoseológico, permite calcular, pero no describe como realmente son las cosas. Los gravitones existen y son el cuanto del campo gravitatorio en una espacio no curvo y se comportan como los bosones del Modelos Estándar en una teoría cuántica de campos por descubrir. Estos gravitones incluso se acoplan con los fotones de algún modo y provocan lo que llamamos lente gravitatoria, el experimento de Edington y similares.

    No hay ninguna teoría consistente a día de hoy que use gravitones y que pueda predecir algo, pues las teorías cuánticas de campos sobre ese asunto no son renormalizables. Simplemente no funcionan, por mucha supersimetría o dimensiones extras que se metan.
    Tampoco hay una teoría en funcionamiento que cuantifique la Relatividad General y que use “cuántos” de espacio-tiempo. Sólo hay modelos de juguete.
    La Física Teórica no ha avanzado casi nada desde principios de los años setenta, cuando se asentó el Modelos Estándar.
    Por otro lado, todos las medidas experimentales indican que la Relatividad General sigue funcionando bien, y encima está ahí desde hace 100 años.

  6. thetimethespaceandandtheman::

    “Las ondas gravitatorias sí tienen prueba empírica ya. Se ha comprobado en sistemas de estrellas de neutrones binarias que giran una aldededor de otra, como la emisión de esas ondas les hace perder energía y se aproximan cada vez más (debido a la intensidad extraordinaria de las susodichas y las condiciones).”

    Dr. Triller, datos.

    Lo unico comprobado es que decrece su frecuencia de giro.

    Aumenta el periodo de giro de una estrella de neutrones respecto a la otra.

    Vi la noticia, hace un año creo, y ese era el unico dato.

    El titulo era ‘commprobadas las ondas gravitatorias,,,,,,,’

    ¿Cuantos mecanismos de perdida de momento cinetico no hay que puedan explicar eso sin necesidad de las ‘ondas gravitatorias’?.

    Recuerdo los ‘observatorios’ de ondas gravitatorias, llevamos 80 años haciendolos, en tierra, y previstos, en el espacio.

    Laseres interferometricos con bases de kilometros.

    Cero resultados.

    En el periodismo cientifico, tambien hay a veces no excesiva cautela (Sensacionalismo mas duramente dicho).

    No Dr. como diria un juez (La buena ciencia es como un buen juez) datos, solo datos, son los que debemos mirar.

    Hay un caso ‘gracioso’, lo recuerdo de mis años con los libros de R.P. Feynman.

    La ‘fuerza centrifuga’.

    Era tan simple de calcular con un poquito de dibujo diferencial.

    Pero claro, el ‘observador’, VE una fuerza.

    Ni hay campo ninguno, ni hay particulas portadoras, ni nada.

    ‘pseudofuerza’ lo llamaba el bueno de richard.

    En fin…………….

  7. Dr. Thriller:

    Bueno, di por hecho que todo el mundo sabía que lo de las binarias era claro está de RG. La MC de momento no puede nada de nada con la gravedad, así que la noticia sería -por encima de cualquier otra- que existe algún acercamiento cuántico a la gravedad.

    Hasta donde yo sé thetimethespaceandandtheman, la única teoría consistente que puede explicar el fenómeno de las binarias es la RG, Neo podrá decir más seguramente. Lo que pasa es que todos sabemos que la RG, aunque perfectamente válida en su dominio, es incompleta (precisamente porque no es cuántica, y sabemos que el universo lo es, o al menos que la MC debe englobar algo como la RG igual que la RG engloba la clásica), así que si existen las ondas gravitatorias… exite la analogía (totalmente gratuita) de que sea algo muy aproximadamente similar a la ondulatoria de fotones. Aunque las cosas son desde luego más complicadas.

    Pero vamos, si la pregunta es si existe otro modelo teórico que dé cuenta de esto (lo de las binarias), no, no existe, y mucho menos con el “empaque” de la RG. No es un tema menor, es algo que estaba predicho en la teoría y se ha corroborado como todo en RG, a la cienmilésima. No es algo que haya aparecido y lo hayamos encajado a martillazos con el calzador.

    Clarke le gustaba decir (a través de sus personajes) que, efectivamente, no hay fuerzas, sólo inercias. Es una forma de verlo y jugar con las palabras. Efectivamente, cuando el coche toma una curva, no existe en ningún momento ninguna aceleración centrífuga, el coche simplemente quiere seguir en su trayectoria tangente, es el rozamiento y el agarre de las ruedas, transmitido a toda la carrocería, el que produce la fuerza centrípeta, hacia dentro de la curva, no hacia fuera (es que si no, el coche se sale). Como lo único que nos sujeta a la carrocería es el cinturón de seguridad, si es que lo llevamos puesto, es el cinturón quien nos arrastra con el coche hacia el centro de curvatura, porque lo que nuestro cuerpo hace es seguir tangente a esta. Y sí, nos parece una fuerza que nos empuja “hacia fuera” cuando la realidad es totalmente al contrario.

    No es muy distinto que la sensación que produce un tren o un avión cuando arrancan despacio y al no tener el oído interno una señal de movimiento superior a su umbral de detección, la mente prefiere visualizar que es la estación que va hacia atrás o la pista del aeropuerto haciendo ídem. Es un flipe gratuito, obsequio de la existencia.

  8. Dr. Thriller:

    Por cierto, lo anterior se llama simplemente sistema de referencia inercial o no inercial. Es decir, si lo que tomamos como sistema de referencia (el “cero de Greenwich”) tiene o no aceleración. Si no la tiene no hay “efectos flipe”, pero si la tiene sí. Ejemplo: bus que frena y te caes aver tout l’equipe. Si tomas el sistema de referencia “interior del autobús” hay obviamente una fuerza “mágica” que te tira al suelo. Si tomas de referencia la p-calle, ves claramente, en toda su gloria y magnificencia, que el bus frena y te deja atrás, y tú frenas malamente con tu cuerpo serrano en el piso de este, si es que no tienes la mala fortuna de hacerlo convirtiendo tu energía cinética en energía mecánica de distorsión y fractura y disipación térmica por rozamiento y fricción (que produce, naturalmente, quemaduras en los textiles que vistas y eventualmente la piel).

    El día que un comentarista deportivo pueda hablar así, con toda naturalidad, sabremos que la Ciencia ha ganado la batalla xD.

  9. NeoFronteras:

    El caso de la binarias de púlsares no es que pierdan energía, pues podría haber otros mecanismos, sino que lo hacen en la cuantía predicha por la RG.
    Se intentan medir las ondas gravitatorias desde hace tiempo, pero son muy débiles. LIGO lo intenta y hay un proyecto espacial que si se financia posiblemente lo lograría. De momento no se han detectado.
    Esto es como los exoplanetas. Todo el mundo creía que había, pero hasta que no se detectaron no se pudo decir científicamente gran cosa.

  10. lluís:

    Esa pequeñisima masa del supuesto gravitón con masa,¿impediría que el tal bosón,viajara a la velocidad de la luz?, Y el neutrino,con una pequeñisima masa al parecer, ¿ no viaja a la velocidad de la luz?.
    Este estudio, sí que me parece un tanto especulativo,no tenemos gravitones,y ahora hablan de gravitones masivos; y luego también se mencionan dos tejidos espacio-temporales interaccionando entre sí,cuando, almenos que uno sepa, ni siquiera se conoce la textura del espacio-tiempo “ordinario”
    En cuanto a lo de la variación en la precesión lunar, aun cuando se pudiera medir,no veo muy claro que esto sirviera de confirmación de este jueguete teórico.

  11. juan:

    Ni si quiera está la comunidad científica 100% de acuerdo con que la velocidad de los gravitones deba ser menor que la de la luz

  12. Dr. Thriller:

    Obviamente, si tiene masa NO puede viajar a la velocidad de la luz (al menos según el marco de la RG). Como la masa del neutrino debe ser pequeñísima, la reducción respecto a c debe ser negligible a distancias que podemos medir (o más correctamente, indetectable por ahora).

  13. lluís:

    El propio estudio dice que la masa del neutrino es incluso mayor que la del supuesto gravitón masivo,Dr.Thriller.El hecho de que las particulas masivas no son relativistas (no pueden viajar a la velocidad de la luz),en el marco de la RG,no me es desconocido,de ahí la pregunta en mi comentario 10.Que sea negligible esa pequeñisama m, pudiera ser, pero suena mal,porque ¿qué acabaría pasando en cientos de millones de años con esa pequeñisima masa,con la RG en la mano,si realmente viaja a c?

  14. Dr. Thriller:

    No, no. No me explico bien. No es lo mismo que los neutrinos, partículas que nos resulta difícil detectar, vayan algo más lentas que c. Esto significaría en general que emisiones de neutrinos estarían desacopladas respecto a la misma emisión de fotones, pero ni tenemos la posibilidad de detectarlo con precisión ni tampoco sería fácil ver anomalías. Pero si los gravitones se mueven más despacio que c, eso quiere decir que la fuerza de la gravedad se propaga a menor velocidad que c, y eso sí que tiene que generar efectos de desacoplamiento mucho más vistosos y floridos.

  15. thetimethespaceandandtheman::

    “El caso de la binarias de púlsares no es que pierdan energía, pues podría haber otros mecanismos, sino que lo hacen en la cuantía predicha por la RG.”

    Recuerdo la noticia, y no decia nada de confirmacion cuantitativa.

    Efectivamente, dos estrellas de neutrones (Potentisimos campos magneticos atrayendose-repeliendose) pueden entablar procesos oscilatorios de largo periodo en los que se alejan una de otra (Y por conservacion de momentum cinetico, deben disminuir la velocidad angular), y luego, volver a acercarse (Y entonces, aumentar su velocidad angular).

    Y muchos otros mecanismos (no disipativos como este, o disipativos) , efectivamente, son posibles.

    Si se ha obtenido confirmacion cuantitativa, ya es un punto.

    El LIGO , y el espacial (Cancelado de momento, recuerdo), nunca han detectado nada.

    Es algo ‘mosqueante’, vaya, me pica la curiosidad, que la fuerza nuclear, la conozcamos tan bien (Con sus bosones, su teoria, etc), y la gravedad, nada (Salvo la rg, que tiene su limite).

    Todos la estamos experimentando ahora mismo, y no sabemos que diablos es en realidad.

    (Sobre lo de Andrei Linde, todo un universo a partir de unos miligramos de masa gracias a ‘la inflaccion’, creo recordar que estaba en la misma presentacion en PDF que él tiene en la red. Si, yo tambien lo veo mas allá de toda sensatez, que le vamos a hacer).

  16. tomás:

    Bueno, lo importante es que parece que esa teoría puede ser medida y, además, mediante un método accesible a la técnica actual, aunque haya de ser perfeccionada. Esperemos a ver que pasa.

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