Estamos aquí en un momento muy emocionante en la investigación gravitacional. Los experimentos orbitales, tanto uno actualmente en órbita como un experimento de planificación para el futuro intermedio, han esperado niveles de sensibilidad tales que existe una posibilidad muy realista de que se detecten violaciones de un principio fundamental subyacente a la relatividad general.
El principio fundamental que se prueba es el principio de equivalencia. El experimento actualmente en órbita es el satélite francés MICROSCOPE. El experimento actualmente en competencia para obtener fondos como una misión de clase Small Explorer es la Prueba conjunta de satélite de NASA-ESA del Principio de equivalencia (STEP).
Las teorías alternativas de la gravitación, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, predicen genéricamente violaciones del principio de equivalencia. Por ejemplo, en el límite de energía baja, la teoría de cuerdas reproduce la relatividad general, pero con un compañero de dilaton escalar de cuatro dimensiones adicional al tevit gravitón de Einstein. Además, las teorías de cuerdas predicen campos escalares conocidos como módulos que son naturalmente del mismo orden que el campo gravitacional. Se requieren suposiciones ad hoc para evitar que estos escalares produzcan violaciones drásticas del principio de equivalencia.
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Otra posible fuente de violación del principio de equivalencia proviene de la observación de que la expansión del universo está avanzando a un ritmo acelerado, que generalmente se explica como el resultado de una forma desconocida de energía llamada energía oscura que impregna todo el espacio. La mayoría de las teorías de la energía oscura dinámica involucran especies de campos escalares de luz que deberían violar el principio de equivalencia.
La magnitud de las violaciones del principio de equivalencia predichas por estas teorías generalmente han estado en el rango [matemática] 10 ^ {- 18} <\ parcial a / a <10 ^ {- 13} [/ matemática]. Esto está fuera del rango de sensibilidad de las mediciones terrestres, que no han sido capaces de lograr mejores resultados que [matemáticas] 10 ^ {- 13} [/ matemáticas].
Fuente: Centro nacional de estudios espaciales (CNES)
MICROSCOPE se lanzó el 25 de abril de 2016 y entró en servicio el 2 de mayo. Durante su misión de dos años, se espera que pruebe el principio de equivalencia a tres órdenes de magnitud mayor sensibilidad que las mediciones del equilibrio de torsión terrestre, hasta aproximadamente [matemáticas] 10 ^ { -16} [/ matemáticas]. Tiene dos acelerómetros idénticos, cada uno con sus masas cilíndricas concéntricas asociadas. Uno, el acelerómetro de control, tiene un par de masas de aleación de platino y rodio, mientras que el otro, el acelerómetro de prueba, contiene una masa de aleación de platino y rodio y otra masa de aleación de titanio. El titanio no solo es menos denso, sino que también tiene una relación protón-neutrón notablemente diferente que el platino-rodio.
Fuente: MicroSCOPE – Directorio eoPortal
Incluso cuando Galileo dejó caer pesos anecdóticamente de la Torre de Pisa, MICROSCOPE medirá repetidamente las tasas de caída diferencial de las masas de platino-rodio y titanio miles de veces y en una distancia cientos de miles de veces mayor que la altura de la Torre.
El satélite NASA-ESA STEP probará pares adicionales de masas de diferente composición, y se realizará a temperaturas de helio líquido, reduciendo en gran medida el nivel de ruido. Se espera que STEP alcance niveles de sensibilidad mejores que [matemática] 10 ^ {- 18} [/ matemática].
Ya sea que MICROSCOPE y STEP detecten o no violaciones del principio de equivalencia, los resultados serán significativos. Un resultado positivo validará medio siglo de trabajo sobre teorías alternativas de la gravedad. Un resultado negativo en el nivel de sensibilidad del experimento STEP será tan sorprendente como el experimento de Michelson-Morley, que transformó la física porque no encontró nada. Un resultado negativo obligará a repensar por completo nuestros esfuerzos para lograr una teoría unificada de la gravitación con las otras fuerzas de la naturaleza. Como ha dicho Edward Witten, “Sería sorprendente si φ existe y no se detectaría en un experimento que mejora los límites de las violaciones del PE en 6 órdenes de magnitud”.
Lectura adicional:
John Mester y col. (2010) STEP, la prueba satelital del principio de equivalencia
