Gravedad, objetos cuánticos, y violaciones del principio de equivalencia

Los electrones en un conductor parecen comportarse de forma diferente bajo aceleraciones gravitatorias e inerciales, amenazando con hundir una de las piedras angulares de la física moderna.

¿Cómo responden a la gravedad los objetos cuánticos? Parece una cuestión bastante simple y sin embargo deja a los teóricos rascándose la cabeza. Y así debería ser. Los análisis de datos implican que los objetos cuánticos violan la idea fundamental de que las masas inercial y gravitatoria son la misma cosa, una idea conocida como el Principio de Equivalencia.

Aquí está la idea tal como fue lanzada por Timir Datta de la Universidad de Carolina del Sur y su compañero Ming Yin: En la segunda década del siglo XX, un grupo de Caltech comenzó a darle vuelvas a las propiedades inerciales de los electrones en conductores. Defienden que el extremo de salida de una vara metálica acelerada estaría negativamente cargado debido a que los electrones se retrasarían respecto a la red conductora conforme acelera. De la misma forma, teorizan que la circunferencia de un disco giratorio también estaría negativamente cargada con electrones que vuelan en la periferia.

Mediante este análisis, el efecto de una aceleración lineal o radial en un fluido cuántico es el mismo que en un fluido Newtoniano, como el agua girando en una cubeta. Richard Tolman y otros incluso afirman haber medido esta acumulación de carga.

Pero de acuerdo con el Principio de Equivalencia, si una aceleración puede tener este efecto sobre los electrones, también puede tenerlo un campo gravitatorio.

Aquí es donde las cosas se ponen un poco más complicadas. Calcular el equilibrio que tiene lugar cuando la gravedad actúa en un cristal sólido relleno de electrones conductores no es una tarea fácil.

Resulta que si el cristal es rígido, entonces la gravedad tira de los electrones hacia abajo, creando una minúscula acumulación de cargas negativas en el fondo del cristal y un pequeño campo eléctrico que apunta hacia abajo. Esto es exactamente lo que implica el Principio de Equivalencia.

Si el cristal es deformable, no obstante, la gravedad tiene un efecto mayor sobre la red de lo que tiene sobre los electrones. En este caso, la gravedad comprime la red, creando una densidad de carga positiva hacia el fondo del conductor. Ahora el campo eléctrico es de varios órdenes de magnitud mayor y señala en dirección opuesta.

Este es un resultado problemático debido a que indica que debe ser posible diferenciar entre una aceleración inercial y una gravitatoria midiendo la dirección del campo eléctrico que se acumula. Y de acuerdo con la relatividad general, eso no es posible. Con seguridad, la relatividad general, una de las piedras angulares de la física moderna, no puede estar equivocada en este punto. Entonces, ¿qué está mal?

Una pregunta obvia sin respuesta (al menos por Datta y Yin) es por qué una aceleración inercial no comprime la red del cristal de la misma forma que un campo gravitatorio, creando el mismo tipo de densidad de carga positiva.

Las medidas realizadas por Tolman y otros sugieren que este tipo de compresión no tiene lugar.

A menos que las medidas estén equivocadas. ¿Podría ser que este acertijo surja sólo debido a unas pocas medidas erróneas?

Si es así, tal vez es hora de que alguien las repita.


Artículo de referencia: arxiv.org/abs/0908.3885: Do Quantum Systems Break The Equivalence Principle?

Fecha Original: 28 de agosto de 2009
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Comments (25)

  1. Gravedad, objetos cuánticos, y violaciones del principio de equivalencia…

    Los electrones en un conductor parecen comportarse de forma diferente bajo aceleraciones gravitatorias e inerciales, amenazando con hundir una de las piedras angulared de la física moderna….

  2. [...] son la misma cosa, una idea conocida como el Principio de Equivalencia. Vía: (en castellano) http://www.cienciakanija.com/2009/08/30/gravedad-objetos-cuanticos-y-violacio/ sin comentarios en: cultura, ciencia karma: 15 etiquetas: gravedad, cuánticos, principio, [...]

  3. Sebas

    Estoy lejos de ser un experto, y no son ni siquiera aprendiz de brujo. Dicho esto, me parece extraño el razonamiento que lleva a afirmar que “la gravedad comprime la red, creando una densidad de carga positiva hacia el fondo del conductor”. A mi me parece que a la red comprimida corresponde una nueva configuración del campo de fuerzas electromagnéticas debido a la red, y su interacción con los electrones lleva a una variación de la distribución electrónica, que se ajusta a la red comprimida. Adicionalmente, la gravedad, que también actúa sobre los electrones, conducirá a una minúscula acumulación de cargas negativas en el fondo del cristal y un pequeño campo eléctrico que apuntará hacia abajo, al igual que ocurre en caso de aceleración inercial.

  4. Turok

    En el ámbito de la mecánica clásica no relativista la proporcionalidad estricta entre masa inerte y masa gravitatoria apareció como una “casualidad inexplicable”. Hasta que llegó Einstein con “el pensamiento más afortunado de su vida”, y dijo que “en un sistema acelerado se experimentan los mismos fenómenos que en un sistema inercial que se hallara dentro de un campo gravitatorio” según los observadores hicieran los experimentos en ambos sistemas.Po su parte Poincaré dijo que “nos gustaría poder identificar en la práctica un sistema que sea inercial, parece una tarea inacabable porque no podemos estar seguros de que en un cuerpo no esté sometido a ninguna fuerza” Prefiero pensar que algo en las medidas del experimento objeto de este estudio está mal, o que quizás pasen por alto alguna “jugarreta cuántica”.Porque uno no tiene más remedio que preguntarse, ¿Que pasa con los relojes?, ¿ya no atrasan en un campo gravitatorio, como se ha venido comprobando una y otra vez? o la luz, ¿ya no se curva al pasar por un campo gravitatorio, o los astronautas en órbita. ¿ya se caen al suelo de su propia nave?(todo esto sucederia con un movimiento lo suficientemente acelerado) ¿Dejan pues de estar unificados el movimiento uniforme y el movimiento acelerado?…..Porque todo eso y mucho más se deduce de “dinamitar” el Principio de Equivalencia…Wow!!!.Si Einstein levantará la cabeza volveria a sufrir una taquicardia, tras leer este estudio.Por el bien de la física, prefiero que haya algún error en alguna parte del experimento…Yo tambien padezco (un poquitin) del corazón.

  5. chure

    Que nadie se tire por la ventana, por favor. Son sólo dos modelos que dan dos predicciones distintas. Los experimentos, como siempre, hablarán.

  6. chure

    Una aclaración, lo que se desprende del artículo (corregisdme si me equivoco), es que los experimentos de Tolman muestran fenómenos de inercia en metales sometidos a aceleraciones artificiales (no gravitatorias). Hasta ahí todo normal, no sucede nada extraño. Lo que aún queda por observar (el artículo propone el experimento) es observar esos fenómenos inerciales en metales sometidos sólo a la gravedad, lo cual es más complicado pues exige una sensibilida mucho mayor. En fin que queda todo por decidir.

  7. El tema está en el aire, y, como dicen algunos compañeros por ahó arriba, los proximos experimentos (nada fáciles) tendrán que hablar.

    De todas las maneras, no se explicar la razón al no tener todos los elementos de juicio del estudio o experimento realizado, parece que algo no coincide, que algo no está en su sitio, que las piezas encajan de manera diferente a como deberían hacerlo y, esto, amigos, podría ser debido a un descuido en el planteamiento.

    ¡Hay que repetir! No una, sino muchas veces más para corroborar y, sin dejar de lado, la comprobación gravitatoria que nos dará la respuesta requerida.

    De todas las maneras y a estas alturas, apuesto por Einstein y por el principio de euquivalencia que, por otra parte, ha sido contrastado muchas veces.

    Quedamos a la espera sin tirarnos por la ventana.

  8. Guille

    Una duda, si el cristal es deformable, también se deformará en una aceleración inercial, con el mismo efecto que bajo el campo gravitatorio ¿no?

    De todas maneras, no debe asustar que una teoría pueda estar equivocada, así avanza la ciencia.

    • chure

      En efecto, y eso es precisamente lo que no se observa en los exerimetos de Tulon, lo cual de por sí ya tendría que invalidar el modelo de red deformable, si aceptamos que el principio de equivaencia sigue siendo eso, un principio. Pero parece que los autores del estudio quieren retorcer el asunto.

    • Turok

      Efectivamente, Guille, que una teoría pueda estar equivocada no debe asustar.Y así es la ciencia.Pero una cosa es una teoría y otra cosa es un principio central o una piedra angular de la Física moderna.Cuando una piedra angular “cae” se derrumba todo el edifico. Y así sucedió con la constante de Planck, un numero pequeñisimo derribó el hasta entonces sólido edificio de la mecánica clásica.Después del hundimiento del “Titanic”, aún hoy, seguimos “embalsados” en barcas de salvamento, que más bien salvan poco. Además a veces tengo la sensación de que en hoy, en Física, estamos un poco jugando a ver quien la dice más gorda.En fin quizás en el fondo se trate de eso.De ir soplando la flauta hasta que por casualidad suene.

      • Iván

        Turok puede que esa sensacion que dices ¿sea por presiones que nada tienen que ver con la ciencia? el ir soltandolas gordas y apresuradas para que no te pisen el descubrimiento y con ello la financiacion?.

        A veces es la sensacion que dan que las noticias se dan mas por mantener la primicia y atraer patrocinio que por estar 100% seguros de haber descubierto algo y que sea contrastado.

        La verdad que si es asi es un poco triste.

        • Turok

          Pues hay un poco de todo amigo Iván.Las cosas están ahora en un momento bastante decisivo, y unos físicos pueden acabar en el “cielo” y otros en el “infierno”.Los teóricos de cuerdas (auténticos pájaros locos de la física, no los de cuerdas, sino los teóricos)llevan más de 30 años peleando por sus ideas.Otros (no muchos) les han tildado de “filósofos”, “mistícos” o directamente chiflados.Pero pienso que la SUSY podría echarles una mano. si al final se consigue demostrar que lo de las cuerdas o las supercuerdas no son otra cosa(que no es poco) que bellas matemáticas que tienen el pequeño defecto de no corresponderse con la naturaleza o realidad, sus vidas se habrán ido al carajo.En realidad todos se juegan mucho. Por poner otro ejemplo aunque el sr.Higgs es ya bastante mayor y tiene su carrera hecha, no hace mucho dijo que quizás podría ver su bosón antes de morir…La cosa está que arde, y el LHC (si es que algún día funciona)podría empezar a eliminar “apuestas”.

          • Iván

            Parece que esten todos posicionandose justo antes del arranque del LHC que mas que un acelerador parece una cribadora que los machacara a todos devolviendo intactos a unos pocos si es que devuelve alguno intacto.

            Y lo que me temo y que en cierto modo mas gracia me hace, es que salga lo que salga seguro que genera mas dudas de las que resuelve XD

            Pero es lo bonito de todo esto, lo malo es la cierta sensacion que mucha gente va mas buscando pasar a los libros de historia que en descubrir por descubrir y explicar mejor la realidad, como si antes te hicieses famoso por tu trabajo y ahora trabajasen para hacerse famosos.
            Sera cosa mia pero a veces da esa sensacion.

  9. Hola Kanijo, deberias hecharle un vistazo a este articulo que es una copia exacta del tuyo

    http://alquimiayciencias.blogspot.com/2009/08/gravedad-objetos-cuanticos-y.html

    • Gracias por el aviso Ínigo. Todo el contenido de mi blog está publicado bajo licencia CC que permite la reproducción total o parcial del contenido, incluso con modificaciones. No sólo permite, sino que apoyo que el contenido de este blog se republique, al fin y al cabo mi interés en difundir y divulgar la ciencia. Sí le enviaré un correo solicitándole la acreditación de la traducción, debe haber sido un lapsus ya que ha acreditado otras entradas.

      Un saludo

  10. Yo en mi blog también traduje este artículo el mismo día que salió, el 28 de agosto nada más leerlo del feed de la revista del MIT. Normal, cuando muchas veces nos valemos de las escasas fuentes que hay.

    De todos modos creo que coincide palabra por palabra la del blog que citas con la de kanijo. Curioso ¿plagio? te han hecho.

  11. Sergio

    El grano, segun yo entiendo, es que *creen* que la estructura de un cristal deformable es más “atraida” por la gravedad que los electrones, mientras que en el caso inercial, esto no se detecta… no se, lo único que tienen es una carga que no es la esperada en una barra, pero que ese resultado, en caso de ser cierto, sea porque el principio no funcione, no se, es un poco “salto en el vacio”, incluso si el resultado experimental se confirmase puede tener explicaciones más mundanas.

    Se me ocurre, por ejemplo, que una fuerza gravitatoria es distinta a cada altura, con lo que el experimento del ascensor NO es del todo cierto, si arriba detecto un poco menos de gravedad que abajo, es gravitación, pero si la “gravedad” que mido es igual en todas las alturas, es inercial. Corregidme si digo una burrada, pero el “principio” tiene sus matices, en la “realidad” los campos no son constantes en todas partes y las inercias, si.

    Quizas algo asi pueda hacer que los electrones “tiendan” a irse donde haya menos gravedad, por decir algo, y que en ese caso el resultado sería simplemente anecdotico: Han detectado que la gravedad varia con la distancia al centro de la tierra, y que esto afecta a la distribución de electrones en un conductor.

    Eso si, la mera posibilidad de que se confirme el efecto, y ninguna otra explicación -ni siquiera la mia- sea validad, pone los pelos de punta. Eso si, veo mas plausible que el resultado no se confirme, seguido de que la causa sea otra que se nos escapa ahora, y por ultimo, pondria la explicacion que da el articulo.

    • chure

      Lo que dices no es ninguna burrada, pero omites un pequeño pero importante matiz. El Principio de Equivalencia de la TGR establece la indistinguibilidad entre la gravedad y el movimiento acelerado, pero ¡localmente!. En efecto, en el techo de un ascensor que cae al vacío la fuerza de la gravedad es menor que en su suelo, pero la diferencia es insignificante, salvo que el ascensor fuera gigantesco, es decir, a grandes escalas.

      • Sergio

        Gracias por la aclaracion chure, dudaba de que una simpleza como esa destrozase una teoria, asi que gato encerrado, aunque de Schrodinger, tenia que haber… pero igual ese mismo matiz sirve para el efecto supuestamente encontrado ¿no?

        Me explico: La gravedad tira de todo, incluidos los electrones que andan saltando de atomo en atomo, mientras que un empuje inercial se ejerce sobre la estructura atomica o, mas bien, solo sobre PARTE de esta estructura (es imposible empujar a todos los atomos a la vez), asi que esa diferencias puede hacer que todo encaje.

        Un empuje inercial, por un lado, solo puede aplicarse sobre una parte de la estructura atomica, al resto ya le llegara por la repulsion electromagnetica entre atomos y esas cosas, con lo que no es de extrañar que la estructura se comporte de forma diferente en ambos casos.

        Tambien tiene el “fallo” de que no empuja a los electrones que en un momento dado anden sueltos de la estuctura, saltando de un atomo a otro, asi que, localmente, en el vecindario del electron, NO existe aceleración en el caso inercial.

        Uniendo las dos cosas, tienes que si “localmente” lo aplicas a distnacias de Planck, por se un poco burro, resulta que es de esperar que la estructura o malla de un cristal elastico se cmoporte diferente si tiras de todos los atomos por igual -gravedad- o solo de una region concreta -inercial- y, aparte, el comportamiento de los electrones que andan saltando de atomo en atomo, aparte de encontrarse con mallas ligeramente deformadas en el caso inercial, resulta que duirante el salto quedan libres de toda aceleración, lo cual sumado podria explicar la diferencia encontrada entre las dos cargas.

        Habria que hacer calculos y ver si estos dos “supuestos efectos” que me he inventado realmente ocurren y si sus efectos corresponden con lo que puedan medir los autores, claro, pero me lo creo mas que lo que ellos proponen.

        • chure

          En efecto, habría que mirar bien las premisas de las que parten los modelos y hacer números para ver si son significantes esos interesantes detalles de los que hablas. La física de estado sólido es tremendamente compleja (electrones, fonones, polarones…), lo que, en mi opinión, le hace fascinante, tanto o más que las gravedades cuánticas. :-)

  12. Un físico

    Vamos a ver, en el artículo del ArXiv el título aparece con interrogación, entre otras cosas porque el autor sabe que lo que a priori se afirma no se puede mantener.
    El efecto descrito se daría sólo dentro de un cristal y sólo si éste se deforma. Es parecido a decir que los objetos caen en la atmósfera tienen una velocidad dependiente de su masa (u paracaidista, por ejemplo), violándose así la existencia de una aceleración única para todos los objetos independientemente de la masa.
    Además, el principio de equivalencia dice que la masa pesante e inercial son la misma, no que sean indistinguibles. Si en una ascensor disponemos de dos bolas y las dejamos caer podemos distinguir si estamos en un campo gravitatorio o una ascensor acelerado. Si las bolas nos se juntan al caer es el primer caso, si se juntan es que siguen las geodésicas del espacio-tiempo curvado por la gravedad, tal y como dice la Relatividad General.
    Cuidadín con las noticias espectaculares porque suelen ser (no siempre) las más amarillas.

    • Turok

      Sí, muy bien, “un físico”.Pero aunque el efecto descrito se diera sólo dentro del cristal,deformado, ya tendriamos un problema( o una nueva paradoja) con la “cornerstone” que es el principio de equivalencia; Un principio de equivalencia que funcionaría en el macromundo y desapareceria en el micromundo….sólo faltaría eso.

      • Un físico

        Se podría decir lo mismo sobre el ejemplo:
        “Pues vaya lío con la ley de la gravedad, que funciona en el vacío pero no el aire.”
        Que se fuerce a los electrones a comportarse de esa manera no es tampoco un problema.
        Cualquiera que sepa algo de materia condensada o física de estado sólido sabe que en las redes cristalinas pasan cosas interesantes y curiosas que nos se dan en el vacío. Incluso la “masa” efectiva de los electrones puede cambiar, algo que por cierto se utilizó para justificar la fusión fría.
        Insisto en que ya se puede distinguir entre masa pesante e inercial con la disposición del ascensor según la Relatividad general, teoría que por cierto descansa en ese principio.
        Además, podría haber incluso desviaciones al principio de equivalencia en el vacío. Algo que no se ha encontrado todavía, pero que sería interesante encontrarlo. En ese caso no sería amarillismo, ahora sí lo es.

        • Turok

          Eso es cierto.En Física del Estado Sólido, pasan cosas extrañas que no se dan en el vacio.Pero los chicos del estudio en cuestión saben eso, y aún así afirman lo que afirman.O insinúan lo que insinúan.¿Amarillismo o sensacionalismo?.Pues no lo sé.Al fin y al cabo saben que la comunidad física está ahí, al acecho del “iconoclásta”Quizás más bien pública o muere.

  13. Un físico

    Aclaración:
    El valor de la “m” en las ecuaciones es el mismo según el principio de equivalencia, tanto si la masa puntual acelera por gravedad o por movimiento, aunque se pueda distinguir entre un escenario y otro como antes he explicado.

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