¿Estaba Galileo Equivocado?

Usando lásers que rebotan en la Luna, un grupo de investigadores está poniendo a prueba, con el apoyo de la NASA, una de las ideas fundamentales de la física moderna.

Mayo 6, 2004: Hace 400 años -- o al menos así lo cuenta la historia -- Galileo Galilei empezó a dejar caer objetos desde lo alto de la Torre inclinada de Pisa: balas de cañón, balas de mosquetón, oro, plata y madera. Posiblemente él esperaba en un principio que los objetos más pesados cayeran más rápido. Pero no fue así. Todos tocaban tierra al mismo tiempo, y de esta manera hizo un gran descubrimiento: la gravedad acelera a todos los objetos del mismo modo, independientemente de su masa o composición

Hoy en día esto se conoce como la "Universalidad de la Caída Libre" o "Principio de Equivalencia", y es una de las bases de la física moderna. En particular, Einstein construyó su teoría de la gravedad, es decir, la teoría general de la relatividad, asumiendo que el Principio de Equivalencia es cierto.

Pero, ¿qué pasaría si no fuera cierto?
"Algunas teorías modernas sugieren de hecho que la aceleración de la gravedad sí depende de una forma muy sutil de la composición del objeto", afirma Jim Williams, un físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory ó JPL) de la NASA. Si fuese así, la teoría de la Relatividad tendría que reevaluarse; habría una revolución en la física.
Un grupo de investigadores financiados por la NASA van a probar el Principio de Equivalencia disparando rayos láser a la Luna.
"El cálculo de la distancia Tierra-Luna (en inglés "lunar ranging") es una de las herramientas más importantes que tenemos para buscar imperfecciones en la Teoría General de la Relatividad", dice Slava Turyshev, un científico del JPL que trabaja con Jim Williams y con otros investigadores en el proyecto.

Este experimento es posible porque, hace más de 30 años, los astronautas de las misiones Apolo pusieron espejos sobre la Luna -- pequeños arreglos de retroreflectores que pueden interceptar rayos láser provenientes de la Tierra y rebotarlos en la misma dirección. Usando rayos láser y espejos, los investigadores pueden enviar una señal a la Luna y monitorear con precisión su movimiento alrededor de la Tierra.
Es una versión moderna del experimento de la Torre inclinada de Pisa. Solo que en lugar de dejar caer balas al suelo, los investigadores observarán cómo caen la Tierra y la Luna hacia el Sol. Como si fuesen balas de cañon y mosquete, que son arrojadas desde lo alto de la Torre, la Tierra y la Luna están hechas de una mezcla diferente de elementos, y tienen diferentes masas. ¿Son acaso los dos astros acelerados hacia el Sol a la misma velocidad? Si es así, el Principio de Equivalencia sigue siendo válido, pero si no, entonces empieza la revolución.
Una violación del Principio de Equivalencia se daría a notar como una pequeña desviación en la órbita de la Luna, ya sea en dirección al Sol o alejándose de él. "Usando masas tan grandes como la Tierra y la Luna, podríamos ser capaces de mostrar este efecto sutil, si es que existe", hace notar Williams.
Los científicos han estado enviando señales a la Luna desde los días del Apolo. Hasta ahora, la teoría de la gravedad -- y el principio de equivalencia -- se han mantenido incólumes hasta una precisión de unas cuantas partes en 10¹³. Pero esto aún no es lo suficientemente exacto como para comprobar todas las teorías que intentan derrocar a la de Einstein.
Las actuales mediciones de la distancia a la Luna -- unos 385.000 km -- tienen un error de alrededor de 1,7 cm en promedio. Pero a partir del próximo otoño, una nueva instalación patrocinada por la NASA y la Fundación Nacional para la Ciencia (National Science Foundation ó NSF) ayudará a mejorar la precisión casi 10 veces, dejando una incertidumbre de solamente 1 ó 2 mm. Este salto en la exactitud del experimento significará para los científicos el poder detectar desviaciones de la teoría de Einstein 10 veces más pequeñas de lo que actualmente es posible, las cuales podrían ser suficientes para encontrar evidencia de errores

Para probar esta nueva magnitud de precisión, la instalación, cuyo nombre es Operación de Cálculo de Distancias Tierra-Luna del Observatorio de Apache Point (en inglés Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation ó simplemente APOLLO), deberá ser capaz de cronometrar el tiempo que los pulsos láser tardan en ir y regresar de la Luna con una exactitud de unos cuantos picosegundos, es decir una billonésima de segundo (10^-12). La velocidad de la luz es conocida -- aproximadamente 300.000 km por segundo -- de manera que al medir el tiempo de ida y vuelta del pulso de láser les dirá a los científicos cuál es la distancia entre el telescopio APOLLO y el espejo que se encuentra en la superficie lunar.
Arriba:  El cálculo láser de distancias Tierra-Luna funciona por medio del envío de pulsos de luz láser a los reflectores situados en la Luna y atrapando los fotones que regresan. Se muestra aquí el experimento, instalado en el Observatorio McDonald de la Universidad de Texas. [Más información]
¿Cómo es que el APOLLO logra esta mejoría de 10 veces en la precisión del experimento? Primero que nada, utilizando un telescopio más grande que el que se tenía en las antiguas instalaciones del Observatorio McDonald en Texas -- 3,5 metros contra 0,72 metros. El espejo de diámetro más grande permite al APOLLO atrapar más de los fotones que regresan de la Luna, explica Tom Murphy, un profesor de la Universidad de California en San Diego, y quien es la mente maestra detrás del diseño del APOLLO. El telescopio más pequeño atrapa, en promedio, solamente un fotón de retorno por cada 100 pulsos de láser enviados a la Luna (¡a pesar de que cada pulso contiene más de 10¹⁷ fotones!); el nuevo telescopio APOLLO atrapará cerca de 5 fotones de cada pulso, lo que mejora notablemente la calidad estadística de los resultados.
Varias perturbaciones potenciales han de ser, sin embargo, consideradas. La atmósfera terrestre es una de ellas, ya que puede distorsionar el camino que sigue el pulso de luz láser, del mismo modo en que hace que la luz de las estrellas titile y tiemble. Otra es debida a los minúsculos movimientos tectónicos del suelo debajo del observatorio APOLLO, que son típicamente de unos cuantos centímetros por año, lo cual puede afectar los resultados a largo plazo. Por esta razón, los directivos del proyecto escogieron el pico de una montaña cerca de White Sands, Nuevo Mexico, que tiene una atmósfera local particularmente tranquila y un suelo relativamente más estable. Además, están instalando un gravitómetro superconductor y un sensor GPS de precisión junto al observatorio para detectar movimientos lentos en el suelo, y un arreglo de barómetros de precisión que medirán continuamente el estado de la atmósfera.

Williams y Turyshev recibieron recientemente fondos de la Oficina de Investigacions Físicas y Biológicas de la NASA para mejorar los programas de computador que se usan para analizar las mediciones en casi un orden de magnitud para adecuarse a las capacidades del experimento de Nuevo México. "Ahora será necesario enfrentarnos con muchos más efectos pequeños a nivel milimétrico", anota Turyshev.
Por medio de una meticulosa contabilidad de estos pequeños efectos, la Universalidad de la Caída Libre... podría ser derrumbada.
Muchos físicos considerarían esto buenas noticias. Ellos han estado intrigados desde hace años por una curiosa incompatibilidad entre la relatividad general y la mecánica cuántica. Las dos teorías, tan exitosas cada una en su propio reino, son como dos diferentes lenguajes que describen al Universo de dos modos fundamentalmente distintos.

 (Lea el artículo de Ciencia@NASA Suplantando a Einstein para aprender más acerca de este tema). Encontrar un error en los soportes de la relatividad podría ser el inicio del camino hacia la creación de una "Teoría del Todo", que finalmente combine a la física cuántica y a la gravitación en un solo marco armonioso.
Desde Pisa, en Italia, hasta la Luna y hasta White Sands, Nuevo Mexico: este es un experimento que abarca cientos de años y cientos de miles de kilómetros. Pronto, tal vez, tengamos las respuestas.