Premio Nobel a la energía oscura
Octubre 4, 2011. La Academia Sueca de Ciencia anunció los ganadores del Premio Nobel de Física. Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess ganaron el Nobel este año en reconocimiento a su trabajo de observación de estrellas que explotan en la profundidad del espacio y que les permitió demostrar que la expansión del universo se está acelerando.
Así aparece el trabajo de Perlmutter, Schmidt y Riess en mi libro (p. 149):
"En el contexto de la cosmología el término "energía oscura" constituye un uso desafortunado del lenguaje porque evoca conjuros asociadas con "energía oculta" y otros posibles hechizos de naturaleza esotérica y mística. En todo caso la energía oscura, es una forma de presión "como la gravedad, pero repulsiva" que existe en el espacio y que hace que la expansión del universo se acelere. Es una fuerza de expansión que impregna el espacio mismo y que se les apareció en la oscuridad de la noche, sin que nadie la llamara, a dos grupos de astrónomos a quienes se les ocurrió penetrar con sus telescopios en profundidades del espacio nunca antes exploradas de manera sistemática. Todos los datos acumulados hasta finales de la década de 1980 indicaban que la expansión del universo se frenaría lentamente. Los cosmólogos ya se habían habituado a ese modelo de la expansión cuando en 1987 dos equipos de astrónomos estremecieron el mundo de los cosmólogos cuando anunciaron intempestivamente que ciertas observaciones indicaban que el universo comenzó a acelerar la expansión hace 5.000 millones de años. El equipo "Alto Desplazamiento al Rojo" liderado por Brian Schmidt anunció que con base en observaciones de explosiones de supernovas lejanas tenían evidencia convincente sobre la expansión acelerada del espacio. Pocos meses después el "Proyecto Cosmología Supernova", liderado por Saul Perlmutter del Lawrence Berkeley Laboratory, mostró resultados muy similares que corroboraron los hallazgos de Schmidt. Los investigadores de estos dos grupos se ocupaban de extender la medición de la velocidad de expansión a grandes profundidades. Era algo así como el experimento de Hubble pero hasta distancias más lejanas. Si esta observación se compara con la irresistible actividad de espiar a los vecinos, Hubble alcanzó a ver sólo a los vecinos que vivían a dos cuadras, mientras que Perlmutter y Schmidt lograron espiar a vecinos que se encontraban a 10 000 kilómetros de distancia. La distancia hasta un cuerpo astronómico se determina usando el principio de que el brillo aparente de un bombillo disminuye a medida que nos vamos alejando de este. De igual manera, los astrónomos utilizan estrellas de brillo intrínseco conocido y que a la distancia aparecen con brillo disminuido. Claro, para poder hacer observaciones de objetos muy lejanos, es necesario que estos tengan un brillo intrínseco muy alto. En sus experimentos, Schmidt y Perlmutter lograron observar en distancias más lejanas gracias a que pudieron identificar un tipo de estrellas con brillo intrínseco conocido y muy intenso . Estas fabulosas fuentes de luz son las estrellas supernova tipo "Ia" que tienen la propiedad de explotar siempre con la misma potencia."
Partículas más rápidas que la luz
Septiembre 24, 2011. El New York Times, el Wall Street Journal, el Washington Post y muchos otros periódicos de talla amanecieron hoy con un titular algo extraño que hacer referencia al fin de la teoría de la relatividad de Einstein. "Físicos hallan partícula que viaja más veloz que la luz" dicen algunos, "Fracasó la teoría de Einstein", y así por el estilo. Realmente qué es lo que está pasando?
Un experimento que se llama OPERA, instalado en Italia dentro del túnel que cruzan los romanos en el verano para llegar a las costas del mar adriático, detectan neutrinos (unas partículas elementales) disparados desde el laboratorio CERN en Ginebra. En teoría, si medimos la distancia entre CERN y los detectores de OPERA y si medimos el tiempo que toman los neutrinos en viajar, pues podemos medir la velocidad de las partículas. Más o menos eso fue lo que hicieron los físicos del experimento OPERA y encontraron que los neutrinos llegan a Italia 60 nanosegundos (esto es 0.00000006 segundos) más temprano de lo que le tomaría a la luz para recorrer la misma distancia.
Aclaraciones importantes
- La medición de la velocidad de los neutrinos observados por OPERA no es una medición directa (es decir no es una comparación directa del tiempo de vuelo de la luz comparado con el tiempo de vuelo de los neutrinos)
- La medición se basa en un complicado análisis estadístico que correlaciona los pulsos del acelerador de partículas en CERN con los pulso de detección de partículas en OPERA.
- La medición también depende de la precisión con la que se estima la distancia CERN-OPERA (en línea recta, no a lo largo de un arco sobre la superficie terrestre). Medir la distancia entre dos puntos en la Tierra presenta retos formidables. Fuerzas de marea de la Luna, movimientos de placas, irregularidades en la densidad y muchos otros factores introducen errores que se deben tener en cuenta. Los científicos de OPERA dicen que el error de la medición de distancia es apenas 20 centímetros (se imaginan! medir una distancia entre dos puntos de la Tierra distanciados por 730 kilómetros con una precisión de 20 centímetros!)
- Los resultado dependen de la precisión con la que se mide el tiempo de los pulsos en el acelerador de CERN y el tiempo de las detecciones realizadas en OPERA.
- En resumen existe gran cantidad de oportunidades para introducir errores que aun no se han tenido en cuenta y que podrían fácilmente explicar la anomalía de 60 nanosegundos en el tiempo de llegada de los neutrinos del CERN a los detectores de OPERA
Cuál es el significado de los resultados de OPERA?
- Los resultados reportados por OPERA pueden ser una anomalía explicada por errores de la medición que aun no se han tenido en cuenta
- Si la medición se puede reproducir independientemente por otros experimentos y si no se encuentran errores en las mediciones que no se hayan tenido en cuenta, es necesario desarrollar una teoría que explique el comportamiento de los neutrinos
- En este caso esto no significa que tenemos que echar al cesto de la basura la teoría de Einstein. Ninguna teoría es final y completa. Toda teoría tiene un dominio de validez. Sabíamos que la teoría de la gravedad de Einstein tiene un límite de validez (la teoría no se aplica a escalas donde opera la mecánica cuántica). Surgirá una teoría más general que incorpora la teoría de Einstein como la teoría valida dentro de ciertos límites.
- Es prematuro saltar a conclusiones. Lo que OPERA reportó en este ejemplar artículo es una anomalía. Ahora bien, en el pasado anomalías en física han servido para desatar la crisis de teorías enteras, o han desaparecido completamente al verificarse que se trataba de errores de medición o factores prosaicos que no se habían tenido en cuenta.
Anomalías en física
- Una anomalía en la órbita del planeta Urano condujo en 1845 a Urbain Leverrier a predecir la presencia de un planeta nuevo (Neptuno). En 1846 Neptuno fue descubierto por el astrónomo Johann Gottfried Galle del Observatorio de Berlín justo en la posición donde Leverrier había indicado.
- Una anomalía en la órbita de Mercurio (consistente en el desplazamiento anual del punto de mayor cercanía al Sol) motivó la predicción en 1859 de la existencia de un nuevo planeta (Vulcano) por Urbain Leverrier. Vulcano no fue encontrado. La anomalía fue explicada por la teoría de la gravedad de Einstein (pero no por la de Newton).
- En 1967-1969 Vera Rubin y Kent Ford detectaron una anomalía en las velocidades de rotación en galaxias espirales. La explicación aceptada por la mayoría de astrónomos es que el exceso de velocidad de rotación se debe a la presencia de materia oscura en la galaxia. Sin embargo, algunos teóricos insisten en que hay que modificar la mecánica de Newton. La teoría MOND, por ejemplo, se ajusta muy bien a las curvas de rotación de las galaxias.
- En 1964 los radio-astrónomos Arno Penzias y Robert Wilson observaron una anomalía en la señal recibida por la antena que usaban para estudiar la emisión de radio proveniente de la Vía Láctea. El exceso de ruido observado por Penzias y Wilson resultó ser nada menos que la radiación cósmica de fondo que quedó del big bang cuando el universo era una sopa caliente de partículas y radiación.
- Recientemente se reportó una anomalía en la órbita de las sondas Pioneer que parecía indicar que las sondas se estaban frenando en su viaje como haladas por una fuerza extraña. Algunos hablaban de la necesidad de modificar las teorías de gravedad. Análisis recientes (Turyshev et. al., 2011) demuestran que lo que parecía una anomalía no era más que el efecto de la manera como la sonda pierde calor.