Masa inercial y pesante

Según unos cálculos teóricos es posible crear una situación en el mundo mecánico-cuántico en la que los efectos de la masa inercial y pesante deben ser diferentes, incluso que estas diferencias pueden ser arbitrariamente grandes. Además esto se podría comprobar experimentalmente.

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El tema de que la masa inercial sea distinta de la pesante es algo que aparece de vez en cuando en Física, aunque hasta ahora todas las medidas realizadas, incluso con muy alta precisión, dicen que ambas masas son exactamente la misma y que el principio de equivalencia sigue vigente. Esta equivalencia entre ambas masas es la basa sobre la que se asienta la Relatividad General.

Ahora aparece un nuevo resultado en teoría cuántica que vuelve sobre el tema.

El principio de equivalencia es una de las ideas más fascinantes de la Física moderna. Nos dice que la masa del principio de inercia, es decir, la que aparece en F=ma, es la misma que la que aparece en la ley de gravedad F=Gm1m2/r2. Esto permite afirmar que si estamos dentro de una nave espacial que acelera a 1g no podremos distinguir la fuerza que sentimos contra el suelo (hacia la parte de atrás de la nave) de la que sentiríamos debida al campo gravitatorio sobre la superficie de la Tierra.

Esto parece muy sensato porque desde que estábamos en la escuela hemos llamado a ambas masas "m" y las hemos asignado el mismo papel. Aunque hay modificaciones teóricas a la Relatividad que predicen que el principio de equivalencia no se cumple, una cuestión importante es si la Mecánica Cuántica tiene algo que decir al respecto. Pero los físicos han sido incapaces hasta ahora de usar la teoría cuántica para distinguir el comportamiento de la masa inercial y pesante (o gravitatoria).

Endre Kajari, de la Universidad de Ulm en Alemania y sus colaboradores han mostrado recientemente que es posible crear una situación en el mundo mecánico-cuántico en la que los efectos de la masa inercial y pesante son diferentes. Incluso muestran que estas diferencias pueden ser arbitrariamente grandes.

Su idea comienza apuntando a la distinción entre cinemática, que describe solamente el movimiento de los objetos, y dinámica, que tiene en cuenta el origen de ese movimiento, es decir, las fuerzas. En el mundo clásico no hay distinción entre ambos tipos de masas. Sin embargo, en el mundo cuántico la manera en la que los estados son preparados tiene una importancia muy grande. Así por ejemplo, según estos físicos, la función de onda de una partícula en una caja no depende de la masa de ninguna manera, mientras que la energía de la función de ondas de un oscilador armónico depende de la raíz cuadrada de la masa.

Todo esto lleva a una interesante idea: es posible crear combinaciones de cajas electromagnéticas y gravitatorias y osciladores en las que la masa inercial y pesante jueguen papeles diferentes.

Resulta que los físicos ya están jugando precisamente con este tipo de experimentos: los llamados trampolines atómicos, en los que una onda de materia cae bajo la influencia de la gravedad, pero es devuelta o rebota por una fuerza electromagnética. Calculan que los autovalores de energía de los átomos son proporcionales a la raíz cúbica del cuadrado de la masa pesante, pero proporcionales al inverso de la raíz cúbica de la masa inercial. Esto es un resultado realmente sorprendente. Además, si no es dentro de poco, en los próximos años se podrá construir un espectroscopio de energía para átomos o condensados de Bose-Einstein que pueda demostrar (o refutar) esa afirmación.

Si hay éxito, esta investigación proporcionará una manera totalmente nueva de estudiar la naturaleza de la masa y quizás llegar a comprender la confusa relación entre Relatividad General y Mecánica Cuántica.

Otro ejemplo de aplicación de estos conocimientos serían saber cómo se comportan ambas masas en las condiciones extremas reinantes dentro de los agujeros negros.