Test de precisión del principio de la invariancia a la posición local en relatividad general

Dibujo20180605 Position Earth Jupiter test general relativity nature physics 41567_2018_156

La interacción gravitacional se describe mediante la relatividad general de Einstein, que está basada en varios principios físicos. El principio de inviariancia a la posición local afirma que los resultados de todo experimento en el que se puedan despreciar los efectos gravitacionales es independiente de la posición y orientación de los sistemas de referencia usados. Se publica en Nature Physics el test de mayor precisión de este principio basado en relojes atómicos de cesio y en máseres de hidrógeno. El cambio en el desdoblamiento hiperfino en el hidrógeno y en el cesio, al despreciar la interacción gravitacional, es menor de β= (2.2 ± 2.5) × 10−7 (observa que se trata de un valor compatible con β=0, en acuerdo con la relatividad general).

El resultado se ha logrado mediante el estudio de la variación de la frecuencia de cuatro máseres de hidrógeno que se usan en el complejo de relojes atómicos del NIST (National Institute of Standards and Technology), Boulder (Colorado, EE UU), y de la variación de la frecuencia primaria de los estándares de tiempo que se usan en laboratorios de metrología de EE UU, Francia, Alemania, Italia y Reino Unido durante un periodo de 14 años. La combinación de todos estos resultados ha permitido comprobar que el valor de β es compatible con cero hasta una parte en cinco millones. Una mejora significativa en los test de precisión de este principio hasta ahora.

El artículo es Neil Ashby, Thomas E. Parker, Bijunath R. Patla, “A null test of General Relativity: New limits on Local Position Invariance and the variation of fundamental constants,” Nature Physics (04 Jun 2018), doi: 10.1038/s41567-018-0156-2, arXiv:1706.10244 [gr-qc].

Dibujo20180605 Frequency shifts of H and Cs for maser S3 for MJD 51508 to MJD 56959 nature physics 41567_2018_156_Fig2

En relatividad general, el ritmo de los relojes y la longitud de las reglas depende de la cantidad de energía y momento en su entorno (la gravitación afecta al ritmo del tiempo y a las distancias espaciales). Sin embargo, el espaciotiempo es localmente plano, es decir, en una región suficientemente pequeña (cuyo volumen depende de la cantidad de energía y momento en su interior) dicho efecto no es observable. Este último hecho se denomina principio de invariancia a la posición local (LPI), que junto al principio de equivalencia débil (WEP) y al principio de invariancia Lorentz local (LLI) constituyen los principios fundamentales de dicha teoría. Según el principio LPI las leyes de la física deben ser independientes de la velocidad del sistema de referencia en el que se expresan; por tanto, cualquier experimento que no involucre la interacción gravitacional debe ser independiente de la posición y orientación del sistema de referencia en el que se realiza. El principio LPI es independiente del WEP y del LLI.

El estudio experimental de los principios de la relatividad general es importante porque pone límites precisos a todas las teorías alternativas que introducen pequeñas modificaciones de dichos principios. Para estudiar el principio LPI se deben usar medidas de alta precisión de relojes y de reglas; lo más fácil es usar relojes gracias a las transiciones hiperfinas en átomos (como el hidrógeno y el cesio). Como la Tierra orbita alrededor del Sol, se produce un cambio en el potencial gravitacional local en todo punto de su superficie, que podría influir sobre los experimentos si no se cumpliera el principio LPI. La frecuencia de un reloj cambiaría Δf/f = (1+β) ΔΦ ∕ c², donde ΔΦ es el cambio en el potencial gravitacional en la órbita terrestre, Δf es el cambio en la frecuencia medida y β es el parámetro que mide el grado de violación del principio LPI.

Dibujo20180605 best estimates of beta nature physics 41567_2018_156

La excentricidad de la órbita de la Tierra (e=0.0167) introduce una variación anual en la distancia Tierra-Sol que se puede correlacionar con la variación en la frecuencia de las transiciones atómicas hiperfinas, y así estimar un límite superior para el parámetro β. Para ello hay que estudiar muchas órbitas, es decir, datos recopilados durante muchos años. Esta tabla compara el nuevo valor con los estimados en experimentos previos; mejorar dichas medidas es muy difícil. Como se ve, en todos los casos son resultados compatibles con cero. Por tanto, por ahora, el principio LPI supera todos los tests de precisión.

En resumen, los tests de precisión de los principios fundamentales de todas nuestras teorías deben seguir siendo verificados de forma experimental. Lo habitual es no cuestionarlos, considerando que rayan lo obvio. Sin embargo, cualquier posible incumplimiento de estos principios puede ser el punto de partida para la exploración futura de teorías más allá de las actuales. Así que debemos agradecer que se sigan haciendo test de alta precisión de todos estos principios.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *