La masa del fotón y del gravitón

Por Francisco R. Villatoro, el 11 julio, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • Physics • Science ✎ 6

Las dos únicas partículas libres con masa en reposo nula son el fotón y el gravitón (el gluón se cree que no tiene masa pero no es una partícula libre). Podrían tener una masa en reposo no nula pero tendría que ser muy pequeña. Alfred Scharff Goldhaber y Michael Martin Nieto nos cuentan en “Photon and Graviton Mass Limits,” Review Modern Physics 82: 939–979, 23 March 2010 [ArXiv, 5 Sep 2008], todo lo que se sabe sobre este interesante asunto. Permitidme un breve resumen.

[PS 08 Dic 2016] Los últimos límites para la masa del gravitón en Claudia de Rham, J. Tate Deskins, …, Shuang-Yong Zhou, “Graviton Mass Bounds,” arXiv:1606.08462 [astro-ph.CO].

La masa del fotón

Alexandre Proca, bajo la influencia de Louis de Broglie, introdujo en 1936 la versión de las ecuaciones de Maxwell para un fotón con masa (ver a la izquierda). Normalmente la masa del fotón se estima mediante su longitud de onda de Compton (ver recuadro en rojo, a la izquierda). Uno de los problemas del cálculo de un límite para la masa del fotón es evitar círculos viciosos y usar efectos que en realidad solo son válidos para un fotón sin masa. Hay que comparar lo que predicen las ecuaciones de Maxwell con lo predicho por las ecuaciones de Proca, algo posible solo para los efectos predichos por estas últimas.

El test más preciso de la ley de Coulomb (un experimento similar al de Cavendish pero para el campo eléctrico realizado por Williams, Faller, y Hill en 1971) nos ofrece el límite

valor que es similar al obtenido mediante otros experimentos (terrestres) más recientes. Schrödinger tuvo la idea de medir la masa del fotón gracias al campo magnético de la Tierra. El mismo método fue aplicado por la sonda Pioneer 10 con Júpiter y obtuvo el límite

que Ruytov en 2007 mejoró gracias a medidas del campo magnético solar para obtener

quizás una de las medidas más precisas del límite superior de la masa del fotón. Hay medidas astrofísicas y cosmológicas que reducen estos límites en varios órdenes de magnitud, pero son medidas muchos más inciertas y que hay que tomar con alfileres, ya que suponen un gran número de hipótesis, como el análisis tipo Yamaguchi realizado por Chibisov para la Nebulosa del Cangrejo que ha conducido a

La masa del gravitón

La introducción de un gravitón con masa en la teoría de la gravedad de Einstein no es un asunto baladí si queremos preservar sus principios fundamentales. Además, como no tenemos aún una teoría cuántica de la gravedad en la que estudiar en detalle la física del gravitón, los límites para su masa son mucho más inciertos que en el caso del fotón y se basan en hipótesis que podrían ser refutadas en un futuro. El problema de la materia oscura, que algunos han propuesto que podría resolverse si el gravitón tuviera masa en reposo, añade más incertidumbre aún, ya que en medidas astrofísicas y cosmológicas hay que asumir que el origen de la materia oscura no es una variante de la relatividad general sino partículas elementales aún por descubrir. En resumen, la masa del gravitón es una incógnita mayor que la del fotón. La tabla resumen de resultados es la siguiente:



6 Comentarios

  1. Resulta curioso como habláis del gravitón y de la materia oscura como si fuera el vecino del quinto.

    La física actual empieza a recordar a la ciencia medieval.

    Se habla de multiversos, de inflación, de gravitón o de materia oscura, con el mismo desparpajo que se hablaba del flogisto, del eter o de la quintaesencia…

    …pienso si no se estaréis vendiendo la piel antes de matar el oso…

    Cuando hablo de Vosotros, no se trata de Tu o de Aquel, sino de Los Físicos y Su mundo …. por favor, no te lo tomes como algo personal (ni me recurdes que yo también he hablado en alguna ocasión de monopolos, como si se tratara de mi cuñada).

    1. Tienes razón. Aún así, la evidencia experimental sobre la existencia de la “materia oscura” es muy fuerte y lo que está claro es que existir existe. Otra cosa es que no sabemos qué es, podrían ser partículas, objetos macroscópicos o incluso efectos desconocidos en las leyes de gravitación. Pero lo que sea, existir existe. Tres cuartos de lo mismo con el gravitón. Para un campo gravitatorio muy débil se puede separar el campo del espaciotiempo y obtener una teoría cuántica (sólo efectos lineales) con una interpretación precisa de lo que es el gravitón. Nadie ha observado un gravitón pero la matemática no falla. Otra cosa es que no entendamos como tratar el caso de que haya muchos gravitones y el caso en el que el campo no sea débil y aparezcan efectos no lineales. Pero el gravitón, como solución de las ecuaciones de la gravedad, que creemos que son correctas, está muy bien definido. No hay evidencia de que existan los gravitones pero sí hay evidencia (indirecta) de que existen las ondas gravitatorias, es decir, ondas con muchos gravitones. Y estas ondas se comportan como la teoría para gravitones predice.

      En resumen, tanto la materia oscura como el gravitón son interpretaciones teóricas de hechos experimentales luego podemos interpretarlos como hechos experimentales, de los que sabemos muchísimas cosas, pero no todas las que nos gustaría (la naturaleza íntima de la materia oscura y la naturaleza cuántica del gravitón).

    2. Es cierto, es triste como con teorías buscan rellenar huecos…sin buscar otras explicaciones. Vaya que no hay ninguna prueba de la materia oscura, quizá la explicación alternativa que se descubra en el futuro sea mucho mejor. En cuanto a los multiuniversos cae casi en el campo de la fantasía.
      El graviton…es algo necesario para explicar la gravedad, o al menos esta necesita aun una explicación ya que aunque la entendemos y sabemos sus efectos, no sabemos del todo como funciona.

  2. Gracias Francis tus aportes nos ayudan a todos!
    felicitaciones por lo preciso y breve,
    si puedes visita este link 10.4236/jmp.2013.48A003 y la idea alli planteada conllevaria a una masa del graviton de 10-67 (en preparacion), la refrecia de lo publicado es:
    Modification of the Newtonian Dynamics in ᴧFRW-Cosmology an Alternative Approach to Dark Matter and Dark Energy
    Journal of Modern Physics (agosto 2013, volumen 4, paginas 10-18

  3. Alabo la sapiencia sobre este tema de Francisco R. Villatoro como demuestra en todos sus reportajes. En el caso del gravitón y fotón, me alegró ver coincidencias en mi débil intuición, extrapolada de la escala de Planck. Configuré una tabla de equivalencias sin precisión, pero que abonan los resultados de 10^-94 Kg/c2 para el gravitón y 10^-50 kg/c2 para el fotón de 1 Hz.
    Y según Planck, para alcanzar la energía de un fotón de 1 Hz, hace falta la energía de 10^44 gravitones como bien se deduce de lo atribuido. Por ello aventuro también que la energía y la materia oscura han de hallarse entre ambos valores.

Deja un comentario