La nueva teoría cuántica separa la masa gravitacional de la inercial

El principio de equivalencia es una de las ideas más fascinantes de la ciencia moderna. Afirma que la masa gravitacional y la masa inercial son idénticas. Einstein lo expresó así: la fuerza gravitacional que experimentamos en la Tierra es idéntica a la fuerza que experimentaríamos si estuviéramos sentados en una nave espacial acelerando a 1 g. Newton podría haber dicho que m en F = ma es lo mismo que ms en F = Gm1m2 / r ^ 2.

Esto parece eminentemente sensato. Y, sin embargo, no es más que una afirmación. Claro, podemos medir la equivalencia con una precisión cada vez mayor, pero no hay nada que nos impida pensar que en algún momento la relación se romperá. De hecho, varias modificaciones a la relatividad predicen que así será.

Una pregunta importante es qué tiene que decir la mecánica cuántica al respecto. Pero los físicos hasta ahora no han podido utilizar la teoría cuántica como palanca para separar el comportamiento de la masa inercial y gravitacional.

Todo eso cambia hoy con el extraordinario trabajo de Endre Kajari en la Universidad de Ulm en Alemania y algunos amigos. Muestran cómo es posible crear situaciones en el mundo cuántico en las que los efectos de la masa inercial y gravitacional deben ser diferentes. De hecho, muestran que estas diferencias pueden ser arbitrariamente grandes.

Su pensamiento comienza señalando la importante distinción entre la cinemática, que se ocupa exclusivamente del movimiento, no de cómo surge, y la dinámica, que se centra en el origen del movimiento. En el mundo clásico, esto no tiene relación con los efectos de la masa inercial y gravitacional.

Sin embargo, en el mundo cuántico, la forma en que se preparan los estados tiene una gran importancia. Señalan, por ejemplo, que la función de onda de una partícula en una caja no depende en absoluto de la masa, mientras que la función de onda de energía de un oscilador armónico depende de la raíz cuadrada de la masa.

Eso lleva a una idea interesante: que es posible crear combinaciones de cajas y osciladores gravitacionales y electromagnéticos en los que la masa inercial y gravitacional desempeñan papeles diferentes.

Resulta que los físicos ya juegan exactamente con este tipo de configuración: el llamado trampolín atómico, en el que una onda de materia cae bajo la influencia de la gravedad pero es rebotada por una fuerza electromagnética. Calculan que los valores propios de energía del átomo son proporcionales a la (masa gravitacional) ^ 2/3 pero a la (masa inercial) ^ - 1/3.

Ese es un resultado asombroso. El tipo de espectroscopía de energía de átomos o condensados ​​de Bose Einstein que puede detectar esta diferencia debería ser alcanzable, si no ahora, muy pronto en los próximos años.

Si tiene éxito, este tipo de investigaciones proporcionarán una forma completamente nueva de estudiar la naturaleza de la masa y, quizás más importante, de investigar la relación desconcertante entre la relatividad general y la mecánica cuántica.

Por ejemplo, los cosmólogos querrán saber cómo se comporta la masa inercial y gravitacional en las condiciones más extremas del Universo, como en el interior de los agujeros negros.

Eso promete unos años emocionantes por delante.

Ref: arxiv.org/abs/1006.1988 : Masa inercial y gravitacional en mecánica cuántica

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