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Un experimento de gravedad en una pequeña mesa de cocina podría revolucionar la física

Hace poco más de una semana, los físicos europeos Anunciar Midieron la fuerza de la gravedad en la escala más pequeña jamás creada.

En un inteligente experimento de mesa, investigadores de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, la Universidad de Southampton en el Reino Unido y el Instituto de Fotónica y Nanotecnología en Italia midieron una fuerza de aproximadamente 30 toneladas sobre una partícula con una masa de poco menos de medio miligramo. . Un newton es una milmillonésima de una milmillonésima de newton, que es la unidad de fuerza estándar.

Investigadores Él dice Este trabajo podría «revelar más secretos sobre la estructura del universo» y podría ser un paso importante hacia la próxima gran revolución en la física.

¿Pero por qué es esto? No es sólo el resultado: es el método, y lo que éste dice sobre el camino a seguir para una rama de críticos de la ciencia que, como dicen los críticos de la ciencia, puede estar atrapada en un círculo vicioso. Costos crecientes y rendimientos decrecientes.

gravedad

Desde el punto de vista de un físico, la gravedad es una fuerza muy débil. Puede parecer extraño decir esto. ¡No te sientas débil cuando intentes levantarte de la cama por la mañana!

Sin embargo, en comparación con otras fuerzas que conocemos, como la fuerza electromagnética, que une los átomos y genera luz, y la fuerza nuclear fuerte, que une los núcleos de los átomos, la gravedad ejerce una atracción relativamente débil entre los objetos.

En escalas más pequeñas, los efectos de la gravedad se vuelven cada vez más débiles.

Es fácil ver los efectos de la gravedad en objetos del tamaño de una estrella o un planeta, pero es muy difícil detectar los efectos de la gravedad en objetos pequeños y livianos.

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La necesidad de una prueba de gravedad.

A pesar de la dificultad, los físicos realmente quieren probar la gravedad a pequeña escala. Esto se debe a que podría ayudar a resolver un misterio centenario de la física actual.

La física está dominada por dos teorías muy exitosas.

La primera es la relatividad general, que describe la gravedad y el espacio-tiempo a gran escala. La segunda es la mecánica cuántica, que es la teoría de las partículas y los campos (los componentes básicos de la materia) a pequeña escala.

Estas dos teorías son contradictorias en algunos aspectos y los físicos no comprenden qué sucede en situaciones en las que ambas teorías deberían aplicarse. Uno de los objetivos de la física moderna es combinar la relatividad general y la mecánica cuántica en la teoría de la «gravedad cuántica».

Un ejemplo de un caso en el que la gravedad cuántica es necesaria es una comprensión completa de los agujeros negros. La relatividad general lo predijo (hemos observado agujeros masivos en el espacio), pero también pueden surgir pequeños agujeros negros a nivel cuántico.

Sin embargo, en la actualidad no sabemos cómo unir la relatividad general y la mecánica cuántica para dar una explicación de cómo funcionan la gravedad y, por tanto, los agujeros negros, en el mundo cuántico.

Nuevas teorías y nuevos datos.

Se han desarrollado varios enfoques para una posible teoría de la gravedad cuántica, entre ellos… Teoria de las cuerdas, Gravedad cuántica de bucle Y Teoría de conjuntos causales.

Sin embargo, estos métodos son completamente teóricos. Actualmente no tenemos forma de probarlo mediante experimentos.

Para probar estas teorías experimentalmente, necesitaremos una forma de medir la gravedad en niveles muy pequeños donde dominan los efectos cuánticos.

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Hasta hace poco, tales pruebas eran difíciles de alcanzar. Parece que necesitaremos equipos muy grandes: incluso más grandes que el acelerador de partículas más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, que envía partículas de alta energía a orbitar un anillo de 27 kilómetros de largo antes de chocar entre sí.

Experimentos de mesa

Esta es la razón por la que medir la gravedad a pequeña escala se ha vuelto importante recientemente.

El juicio realizado conjuntamente por los Países Bajos y el Reino Unido es un ensayo teórico. No requirió máquinas enormes.

El experimento funciona haciendo flotar una partícula en un campo magnético y luego pasando un peso delante de ella para ver cómo «vibra» en respuesta.

Esto es similar a la forma en que un planeta «vibra» cuando oscila frente a otro planeta.

Al hacer levitar la partícula con un imán, se puede aislar de muchas influencias que dificultan mucho la detección de efectos gravitacionales débiles.

La belleza de estos experimentos de mesa es que no cuestan miles de millones de dólares, lo que elimina una de las principales barreras para los experimentos gravitacionales a pequeña escala y tal vez para el progreso de la física. (La última propuesta para un sucesor más grande del Gran Colisionador de Hadrones sería… A un costo de 17 mil millones de dólares estadounidenses.)

Trabajo por hacer

Las pruebas de laboratorio son muy prometedoras, pero aún queda mucho trabajo por hacer.

El último experimento se acerca al ámbito cuántico, pero no llega allí. Las masas y fuerzas involucradas tendrían que ser menores para saber cómo funciona la gravedad a esta escala.

También debemos estar preparados para la posibilidad de que no sea posible llevar las experiencias teóricas tan lejos.

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Es posible que todavía existan algunas limitaciones tecnológicas que nos impidan realizar experimentos gravitacionales a escalas cuánticas, lo que nos empujará a volver a construir colisionadores más grandes.

Volver a las teorías

También vale la pena señalar que algunas de las teorías de la gravedad cuántica que pueden probarse mediante experimentos de mesa son bastante radicales.

Algunas teorías, como la gravedad cuántica, sugieren El espacio y el tiempo pueden desaparecer En escalas muy pequeñas o altas energías. Si esto es cierto, puede que no sea posible realizar experimentos a estas escalas.

Después de todo, las experiencias tal como las conocemos son el tipo de cosas que suceden en un lugar determinado, durante un período de tiempo determinado. Si teorías como estas son correctas, es posible que tengamos que repensar la naturaleza misma de la experimentación para que podamos encontrarle sentido en situaciones en las que el espacio y el tiempo están ausentes.

Por otro lado, el hecho de que podamos realizar experimentos directos con la gravedad a pequeña escala puede indicar que, en última instancia, el espacio y el tiempo existen.

¿Cuál probará su validez? La mejor manera de averiguarlo es seguir experimentando con experimentos de mesa y llevarlos lo más lejos que pueda.

Conversación

Sam Barron recibe financiación del Consejo Australiano de Investigación.

/Cortesía de La Conversación. Este material de la organización/autores originales puede ser de naturaleza cronológica y está editado para mayor claridad, estilo y extensión. Mirage.News no asume posiciones corporativas ni partidos, y todas las opiniones, posiciones y conclusiones expresadas en este documento son únicamente las de los autores.