La gravedad puede aventurarse allí donde la materia teme llegar

No hay nada cierto en este mundo, escribió una vez el padre fundador de los Estados Unidos Benjamin Franklin, excepto la muerte y los impuestos. Como científico, podría haber añadido una tercera fuerza inevitable: la gravedad, la invisible mano que mantiene nuestros pies pegados al suelo.

La gravedad es la fuerza universal. No sólo evita que nos elevemos, mantiene la órbita de la Tierra alrededor del Sol, a nuestro Sol girando alrededor del centro de la Vía Láctea, a la Vía Láctea en una alegre danza alrededor de sus vecinos, etcétera. En realidad es la fuerza más débil de las cuatro fuerzas de la naturaleza, pero dado que las otras tres - electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil – liberan todo su potencial sólo a la escala de átomos y partículas, la gravedad conserva toda su energía para triunfar sobre todos los habitantes del universo a gran escala. Sólo toma dos cosas que tengan masa, y sea cual sea su tamaño, no importan dónde estén, sentirán el abrazo de la gravedad exactamente de la misma forma.

¿O no? Justin Khoury, ahora en la Universidad de Pennsylvania en Filadelfia, y sus colegas Niayesh Afshordi y Ghazal Geshnizjani del Instituto Perimeter para Física Teórica en Waterloo, Ontario, no están seguros. Han listado una serie de observaciones cosmológicas que no pueden ser fácilmente explicadas con una gravedad que encaja igual para todos los tamaños (www.arxiv.org/abs/0812.2244). Ninguno de estos efectos por sí mismo, señalan, indica necesariamente que haya algún problema. Pero es intrigante que todos ellos se disipan si haces sólo una suposición, aunque es una controvertida: que el funcionamiento de la gravedad depende de la escala a la que observes.
De estar en lo cierto, la corazonada tiene consecuencias verdaderamente alucinantes. De acuerdo con la teoría, esta gravedad variable sería nuestro primer vistazo de las dimensiones espaciales más allá de las tres que nos son familiares - dimensiones infinitamente grandes, pero que permanecen cerradas para siempre a nosotros. Khoury reconoce que esto puede parecer absurdo. Pero dado que las anomalías en las observaciones no se han explicado, existe un sentimiento de que la idea no debería ser descartada. “El trabajo es creíble, aunque un tanto optimista”, dice David Spergel, astrofísico con sede en la Universidad de Princeton. Y es intrigante que la teoría hace predicciones que se pueden contrastar: si las dimensiones ocultas están justo delante de nuestras narices, pronto deberíamos tener la prueba.
La gravedad es una fuerza familiar, aunque profundamente desconcertante. Su historia está ligada a dos de los nombres más grandes de la física, Isaac Newton y Albert Einstein. En 1687, Newton publicó su ley de la gravitación universal, la cual afirma que dos objetos sienten una fuerza atractiva cuya fuerza se incrementa con la masa y decrece con el cuadrado de la distancia que hay entre ellos: la escala es s^-2 donde s es la separación de los cuerpos.
Esta mordaz visión intelectual abarcó el movimiento de los planetas, el vuelo de una bala de cañón y la caída de una manzana – todo en una sucinta fórmula. Aunque Newton se vio muy presionado a explicar la naturaleza de una fuerza que parecía transportarse instantáneamente, y con una precisión sin fallo, a través del espacio. No fue hasta 1915, con la Teoría de la Relatividad General de Einstein, cuando se alcanzó una respuesta medio convincente.
De acuerdo con la relatividad general, la gravedad surge debido a que los objetos con masa o energía curvan el espacio y el tiempo a su alrededor, provocando que los otros objetos caigan hacia ellos. Trabajando a lo largo de las matemáticas de la nueva teoría, quedó claro que la ley del cuadrado inverso de Newton necesitaba un ajuste cuando trabajaba con cuerpos particularmente masivos o de movimiento rápido. Con estas modificaciones, podemos predecir los efectos de la gravedad desde las escalas más pequeñas a las del Sistema Solar con una precisión asombrosa.
Entonces, si la teoría no falla, ¿por qué intentar arreglarla? El problema es que la relatividad general es incompatible con las últimas teorías cuánticas que describen la naturaleza de otras tres fuerzas. Estas teorías dicen que las fuerzas están relacionadas por un constante intercambio de partículas; de acuerdo con esto, la gravedad debería transmitirse a través de una partículas cuántica conocida como gravitón. La relatividad general no permite tal posibilidad, y por esta razón los físicos están buscando un marco de trabajo más amplio que unifique la gravedad y la teoría cuántica en una “Teoría del Todo”.
Y si miras con cuidado a las escalas cósmicas más grandes, no hay carencia de constantes indicaciones de que algo no está del todo bien en la gravedad. Toma la radiación cósmica de fondo, por ejemplo. Ésta consta de fotones que han sido acelerados hacia nosotros procedentes de todos sitios desde el Big Bang hace 13 700 millones de años. En el camino, estos fotones pasan a través de grandes cúmulos de galaxias, logrando ganar energía conforme pasan a través a través de ellos y perdiéndola cuando salen por el otro extremo. Esos dos efectos deberían cancelarse.
O al menos sería así si no hubiese entrado en juego la energía oscura hace unos miles de millones de años. Esta forma de fuerza repulsiva es la mejor explicación que tenemos por el momento a por qué la expansión del universo parece haber empezado a acelerarse en los últimos eones. Uno de estos efectos es atenuar el tirón gravitatorio de una galaxia en el tiempo que necesita un fotón para pasar a través de la misma, por lo que fotón sale sin perder toda la energía ganada en el camino. Esto significa que parte de los fotones de fondo que nos llegan deberían estar inesperadamente calientes. Efectivamente, este es el caso, pero hay un pequeño problema: su ganancia de energía es el doble de lo que puede explicarse usando sólo la energía oscura.
Una teoría que encaja con todo
Una gravedad más débil en esas lejanas distancias y épocas cuando se inició la energía oscura habría sido más fácil y exhaustivamente superada por ésta. “El efecto funcionaría mano a mano con la energía oscura para frenar la agregación de materia”, dice Khoury. Los fotones que pasan a través de las galaxias serían incluso relativamente más calientes, provocando que se elimine la discrepancia.
Entonces está el misterio del “flujo oscuro”, el cual ha emergido a partir de investigaciones sobre miles de galaxias lejanas. La expansión global del universo significa que la mayor parte de estas galaxias se alejan de nosotros. Pero una vez se tiene en cuenta este efecto, sus velocidades deberían determinarse mediante las condiciones de gravedad local y en un volumen lo suficientemente grande de espacio deberían cancelarse.
Desafortunadamente, no lo hacen. A lo largo de escalas comunes de cientos de millones de años luz, las galaxias se ven como si estuviesen volando hacia una central concentración de masa gigantesca – una tan grande que posiblemente no podría haberse reunido desde el Big Bang. Se ha propuesto como una primera visión de lo que hay más allá del horizonte visible del universo, pero si la gravedad es más fuerte a estas escalas la necesidad de explicaciones tan exóticas desaparece. “No sólo una gravedad más fuerte agregaría materia más rápidamente, sino que las galaxias caerían hacer concentraciones mayores de materia más velozmente”, dice Khoury.
Y aquí aparece el bosque Lyman-alfa. Generosamente extendido a través del cosmos hay tenues nubes de gas de hidrógeno, los precursores de las galaxias. Éstas absorben luz a una longitud de onda de 122 nanómetros, creando una cavidad distintita en el espectro de la luz que penetra a través de ellas conocida como la línea Lyman-alfa. Esto si son estacionarias, pero de hecho distintas nubes se mueven a distintas velocidades hacia o alejándose de nosotros debido a la expansión variable del universo con el tiempo. Estas nubes absorberán luz a longitudes de onda variables debido al efecto Doppler, y la luz que llega a la Tierra desde fuentes lejanas habrá sido despojada de muchos trozos. A partir de este bosque de líneas espectrales los astrónomos pueden deducir la distribución de las nubes de hidrógeno en el espacio. Como el flujo oscuro de las galaxias, parecen estar más estrechamente agrupadas en las escalas comunes de lo que la cosmología estándar puede explicar – de nuevo, justo como si la gravedad hubiese sido en algún tiempo una fuerza más poderosa que las mantenía unidas.
Pero espera un momento. Los fotones del fondo cósmico sugieren una gravedad más débil a una escala; el flujo oscuro y el bosque Lyman-alfa implican una gravedad más fuerte en otra. ¿Seguro que no hay una teoría que pueda explicar ambas? Sorprendentemente, esto es justo lo que Khoury y sus colegas afirman.
El contexto de su trabajo es una consecuencia de la Teoría de Cuerdas – actualmente la ruta favorita para una Teoría del Todo – conocida como Teoría de Branas. La Teoría de Cuerdas trata las partículas que forman la materia y transmiten fuerzas como diminutas cuerdas unidimensionales de masa-energía vibrando en un espacio-tiempo de 10 dimensiones, conocido como el volumen. La Teoría de Branas va incluso más lejos, describiendo nuestro universo como una “3-brana”, un objeto con tres dimensiones de espacio y una de tiempo que va a la deriva en el volumen. En este escenario, las partículas-cuerdas vibrantes están ancladas firmemente en la brana. Todas ellas excepto los gravitones, por supuesto. Los gravitones son bucles vibrantes de cuerdas sin extremos libres para fijarse en la brana – por lo que pueden filtrarse en el volumen. Esta filtración explica por qué la gravedad es intrínsecamente más débil que las otras fuerzas fundamentales.
Dimensión infinita
También podría tener en cuenta la gravedad relativamente más débil que parecen experimentar los fotones del fondo cósmico. El contexto es un conjunto de teorías de mundo-branas conocidas como modelos Dvali-Gabadadze-Porrati (DGP) models por los tres teóricos de la Universidad de Nueva York que la sugirieron en el año 2000. Estos proponen la existencia de al menos una dimensión fuera de la brana que es de tamaño infinito.
Con tal dimensión extrañ, la escala de la gravedad con respecto a la separación no es de s^-2, sino de ^s-3 - por lo que si dos objetos duplican la distancia a la que están separados, su gravedad mutua no es de cuatro veces, sino de ocho veces más débil. Con dos dimensiones, la caída es de s^-4, con tres s^-5 etcétera. Los cálculos de Khoury y sus colegas muestran cómo un modelo DGP con dos o más dimensiones extra sería justo el billete para reproducir las propiedades gravitatorias del universo tal y como lo observamos.
Existe una cuestión obvia: ¿cómo es que no percibimos esas dimensiones extra? Si existen más de tres dimensiones en el espacio, ¿por qué nuestros sentidos siguen limitándonos a tres? Las teorías de cuerdas estándar solventan este problema postulando que las dimensiones extra están enrolladas en escalas enormemente menores que las de un átomo, por lo que simplemente no las notamos. Los modelos de branas son más descarados. Ni tú ni yo vemos las dimensiones extra de tamaño infinito debido a que estamos hechos de partículas comunes de materia que están firmemente clavadas en la brana. Si queremos emular a Alicia y pasar a través del espejo para llegar a las dimensiones extra que hay más allá, nuestra única opción es reconstruirnos a nosotros mismos a partir de gravitones – las únicas partículas verdaderamente libres.
Aún queda una objeción apremiante. Si estas dimensiones extra existen realmente, ¿por qué experimentamos la gravedad como lo hacemos, como una ley ‘s’? De nuevo, una teoría proporciona la respuesta. Una masa situada en la brana – incrustada en nuestro universo – irradia gravitones en todas direcciones, tanto a lo largo de la brana como en el volumen. Pero la brana es un medio rígido, por lo que se propagan más fácilmente a lo largo de la brana que fuera de ella, como la reverberación cuando golpeas una placa de metal, la cual viaja más fácilmente a lo largo de la placa que por el aire que la rodea. Si estás en algún punto cercano a un objeto masivo – como lo estamos nosotros en el Sistema Solar – la gravedad que sientes será por tanto dominada abrumadoramente por la brana sobre la que estás, una gravedad s^-2.
Cuanto más te alejes de la fuente de la gravedad, sin embargo, más cae esta fuerza. A escalas cósmicas muy grandes, donde la densidad media de materia es mucho menor que en nuestro vecindario cósmico, el debilitamiento a través de filtrado de gravitones se hace proporcionalmente más significativo, y la gravedad que se siente en la brana empieza a divergir significativamente de la ley s^-2.
Por lo que el efecto de las dimensiones ocultas podría explicar perfectamente la gravedad más débil que se necesita en los fotones del fondo cósmico para las escalas más grandes. Pero, ¿qué pasa con la gravedad más fuerte en escalas intermedias indicada por el flujo oscuro y el bosque Lyman-alfa? Esto, dice la teoría, se deduce todo del peculiar comportamiento de los gravitones inmediatamente después de filtrarse de la brana hacia el volumen. Sin la placa rígida de la brana para propagarse, se frenan, adquiriendo masa.
Cualquier partícula con masa, por definición, siente la gravedad. Por tanto los gravitones fuera de la brana empiezan a gravitar: a pequeñas escalas cerca de la fuente de la masa, donde hay gran cantidad de ellos confinados en un pequeño espacio, exclusivamente entre sí, pero conforme se dispersas por el volumen, también con la materia de la brana. El resultado es un refuerzo en las escalas intermedias de la gravedad en la brana predicha por la ley del cuadrado inverso Newtoniana por aproximadamente un tercio. A las escalas cósmicas más grandes, sin embargo, los gravitones del volumen están los suficientemente dispersos para que este refuerzo se vea superado por el efecto mucho más debilitador provocado por la filtración inicial.
Así que ya lo tenemos: una teoría que puede explicar tanto la gravedad anormalmente débil como la anormalmente fuerte. ¿Va a unir todos los cabos sueltos de la cosmología actual? Tal vez, dice Jim Peebles de la Universidad de Princeton. “Es una chapuza”, dice – “algo que por derecho no debería funcionar, pero lo hace. No ignoraría la idea, pero no apostaría tampoco mi casa por ella”.
La objeción más significativa es que ninguno de los efectos anómalos que Khoury y sus colegas tratan de explicar es por sí mismo particularmente significativo. Con más y mejores datos, podrían desaparecer por sí mismas - o tal vez no. “Una secuencia de pequeñas piezas de pruebas reunidas pueden ser una sólida indicación de una nueva física, tal vez muy cerca de lo que este grupo ha descrito”, dice Glenn Starkman de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio. “El reto es mejorar las observaciones”, dice Khoury. “Si las anomalías no desaparecen, estaremos en un terreno más seguro”.
Podría haber otras pruebas más inmediatas. De acuerdo con la relatividad general, la luz y la materia sienten la gravedad de la misma forma: ambos siguen los mismos caminos alrededor de objetos masivos dictados por su curvatura del espacio-tiempo. Pero cualquier teoría pura de la gravedad, como la gravedad variable de Khoury, afecta sólo a la materia. Por lo que demostrar la existencia de dimensiones ocultas podría ser tan simple como observar la curvatura - “lente gravitatoria” – de la luz de una fuente lejana cuando pasa por un cúmulo galáctico en su camino hacia la Tierra, y de esta forma inferir la masa del cúmulo. Si podemos medir el tirón gravitatorio del cúmulo sobre un segundo cúmulo – por ejemplo, cómo de rápido está arrastrando al segundo cúmulo hacia él – podemos lograr una segunda estimación independiente de la masa.
Si las dimensiones ocultas están modificando la gravedad, las dos estimaciones serán distintas en un 20 o 30 por ciento, dice Khoury. Las actuales medidas de cúmulos galácticos no son lo bastante precisas praa detectar un efecto de este tamaño, pero la generación presente de estudios deberían arrojar una respuesta definitiva en los próximos 10 años.
Incluso si logramos las pruebas de la existencia de otras dimensiones, aún quedaría un largo trecho hasta entrar en ellas. Aún así, sería una asombrosa indicación de cómo incluso la materia de la que estamos hechos nos engaña en nuestra percepción del universo.
Todo esto es muy distinto del día en que en una granja en el siglo XVII, en una escena apócrifa que les encanta a los ilustradores, una manzana dejó caer la idea de la gravitación universal sobre la cabeza de Newton. Khoury confía en que lo que se aplica a las manzanas también se aplique a la Teoría de Newton: lo que sube – finalmente – tiene que caer.

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Autor: Marcus Chown
Fecha Original: 16 de marzo de 2009
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Vía Ciencia Kanija