¿Cómo interactúa la gravedad con la materia normal? Aprendiendo y Estudiando para siempre

En realidad, la gravedad interactúa con la masa al mediar una partícula llamada Gravitons (hipotética)

Si existe, se espera que el gravitón no tenga masa (porque la fuerza gravitacional parece tener un rango ilimitado)

En un concurso por la declaración menos polémica que una persona puede hacer, “Lo que sube debe bajar” es seguramente un contendiente fuerte. De las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, la gravedad, la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuertes y débiles, tenemos la comprensión más intuitiva de la gravedad. Desde nuestros primeros experimentos que dejaron caer a Cheerios de nuestra silla alta, pasamos nuestras vidas enfrentándonos a las limitaciones que la gravedad nos impone.

Crédito: Christoph Zurbuchen / Flickr, adaptado bajo una licencia de Creative Commons.

A fines de 1600, Isaac Newton ideó la primera teoría seria de la gravedad. Describió la gravedad como un campo que podría extenderse a grandes distancias y dictar el camino de objetos masivos como la Tierra. La teoría de Newton era sorprendentemente efectiva, pero la naturaleza del campo gravitatorio seguía siendo un misterio. En 1915, la teoría de la relatividad general de Albert Einstein dio a los teóricos su primer vistazo “bajo el capó” de la gravedad. Lo que llamamos gravedad, argumentó Einstein, es en realidad la distorsión del espacio y el tiempo. La Tierra parece que está rodeando al Sol en una elipse, pero en realidad está siguiendo una línea recta a través del espacio-tiempo deformado.

La teoría de la gravedad de Einstein es muy buena para explicar el comportamiento de los objetos grandes. Pero solo unos años más tarde, los físicos abrieron el mundo de lo ultra pequeño, revelando que las otras fuerzas fundamentales se deben al intercambio de partículas especializadas que transportan la fuerza: los fotones transmiten el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte es transmitida por los gluones y La fuerza nuclear débil es impartida por el movimiento de los bosones W y Z. ¿La gravedad se debe al mismo tipo de intercambio de partículas?

En realidad no sabemos la respuesta a esa pregunta, pero si existe, tenemos un nombre para esa partícula hipotética: se llama gravitón. Y aunque nunca hemos observado un gravitón, sabemos mucho sobre ellos, si son reales. Primero, dado que el rango de la fuerza debida a la gravedad es infinito y la fuerza debida a la gravedad se debilita como una sobre el cuadrado de la distancia entre dos objetos (es decir, 1 / r ^ 2), el gravitón debe tener una masa cero. Sabemos esto porque si el fotón tuviera masa, cambiaría el “2” en el exponente y ese “2” se ha establecido con una precisión increíble. Al igual que los fotones sin masa, los gravitones deben viajar a la velocidad de la luz.

La relatividad general también nos da una idea de la naturaleza de los gravitones. En la relatividad general, la distribución de masa y energía en el universo se describe mediante una matriz de cuatro por cuatro que los matemáticos denominan un tensor de rango dos. Esto es importante porque si el tensor es la fuente de gravitación, puede demostrar que el gravitón debe ser una partícula con un giro mecánico cuántico de dos. Otra consecuencia agradable de esta correspondencia es que el gravitón es la única partícula sin masa posible, que gira dos partículas. Si observas una partícula sin masa, gira dos partículas, has encontrado el gravitón.

Entonces, ¿por qué nadie ha encontrado un gravitón todavía? El problema con la búsqueda de gravitones es que la gravedad es increíblemente débil. Por ejemplo, la fuerza electromagnética entre un electrón y un protón en un átomo de hidrógeno es 10 ^ 39

veces mayor que la fuerza gravitacional entre las mismas dos partículas. Quizás un ejemplo más intuitivo es el comportamiento de un imán y un clip. Un imán sostendrá un clip contra la gravedad de la Tierra. Piensa en lo que eso significa. Un pequeño imán, como el que sostenía tu arte en el refrigerador de tus padres cuando eras niño, tira del clip hacia arriba, mientras que la gravedad de un planeta entero tira hacia abajo, y el imán gana .

Los gravitones individuales interactúan muy débilmente, y solo estamos sujetos al planeta porque la Tierra emite muchos de ellos. Debido a que un solo gravitón es tan débil, es imposible para nosotros detectar directamente los gravitones clásicos individuales.

Sin embargo, hay ideas nuevas e innovadoras sobre la gravedad en las que podrían existir otras formas de gravitones. Algunos de estos gravitones exóticos pueden ser detectables, pero requieren modificaciones significativas en nuestra comprensión de nuestro universo. Aquí es donde las cosas se ponen un poco alucinantes.

Si “lo que sube, debe bajar” podría ser un eslogan para el Capitán Obvio, “vivimos en tres dimensiones” podría ser el grito de su compañero, Teniente Duh. Sin embargo, algunos científicos han propuesto la idea de que la gravedad podría tener acceso a más de tres dimensiones. En ese caso, la gravedad podría no ser tan débil como creemos. Solo parece débil porque, a diferencia de las otras fuerzas fundamentales, tiene dimensiones adicionales en las que puede “extenderse”.

A primera vista, esto parece tonto. El 1 / r ^ 2

La naturaleza de la gravedad es un signo incontrovertible de que la gravedad opera en tres dimensiones, y este comportamiento se ha verificado directamente a distancias menores a un milímetro. Pero esto deja abierta la posibilidad de dimensiones adicionales menores a 150 micrómetros más o menos. Uno puede imaginar estas pequeñas dimensiones pensando en una cuerda floja. Para un equilibrista, que solo puede caminar hacia adelante y hacia atrás sobre la cuerda, la cuerda es unidimensional. Pero para una hormiga, que también puede arrastrarse alrededor de la circunferencia de la cuerda, la cuerda parece ser bidimensional. Lo que parece ser unidimensional para un ser grande es bidimensional para uno más pequeño. Estas dimensiones más pequeñas son cíclicas, ya que si viajas por el exterior de una, terminarás de nuevo en el mismo lugar.

La mecánica cuántica nos dice que cada partícula es también una onda vibrante, y se ha propuesto que los gravitones podrían vibrar en estas dimensiones adicionales, envolviendo la pequeña dimensión como pulseras que rodean una muñeca delgada. Sin embargo, la naturaleza cíclica de la dimensión extra impone límites sobre cómo puede vibrar un gravitón. Solo un número entero de longitudes de onda puede caber uniformemente en la dimensión adicional. Y esto nos lleva a un par de consecuencias interesantes. En las teorías con dimensiones adicionales, puede existir más de un tipo de gravitón. Una forma de verlo es imaginarse tomando una onda sinusoidal y envolviéndola alrededor de un cilindro. Para que se ajuste perfectamente, debe usar una longitud de onda o dos o tres o cualquier número entero de longitudes de onda. Cada uno de estos casos es un gravitón distinto; Los que tienen más vibraciones pueden tener masa. Las partículas de este tipo se llaman gravitones de Kaluza-Klein, en honor a los físicos Theodor Kaluza y Oskar Klein, quienes primero propusieron la idea de pequeñas dimensiones espaciales adicionales. En pequeñas escalas, los gravitones de Kaluza-Klein pueden tener masa, pero en escalas más grandes, se reducen a los conocidos gravitones sin masa de la teoría clásica.

Usando aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos ya están buscando estas pequeñas dimensiones adicionales, en parte buscando los productos de descomposición esperados de los gravitones masivos. Aún no han encontrado nada, lo que significa que si existen dimensiones adicionales, deben ser mil veces más pequeñas que un protón, aunque hay muchas advertencias sobre cómo se interpretan los datos.

La gravedad es la única fuerza fundamental conocida que se ha resistido a estudiar en el ámbito cuántico y encontrar gravitones de cualquier tipo sería un gran paso adelante en nuestra comprensión del fenómeno. Desarrollar una teoría exitosa de la gravedad cuántica es uno de los objetivos más candentes de la física moderna y las búsquedas experimentales continuas de gravitones desempeñarán un papel central.