Como Richard Feynman convenció a los que decían no hace 60 años de que las Ondas Gravitacionales son reales
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí esperando que lo descubras
Simulción computarizada de dos agujeros negros fusionándose produciendo ondas gravitacionales.
Original de Paul Halpern
El físico Paul Halpern es autor del Laberinto Cuántico: Como Richard Feynman y John Wheeler revolucionaron el tiempo y la realidad.
Confrontado con una pregunta teórica, tal y como si existen o no las ondas gravitatorias, Richard Feynman nunca confió en las autoridades. En lugar de ello, el trató de desarrollar y convencerse a sí mismo de hallar una solución lo más simple posible, construyendo un argumento con principios básicos. Una vez el trató de desarrollar un asunto desde un punto de vista muy partículas de su pensamiento, y se sintió listo para persuadir a los demás. En la primera conferencia Americana sobre relatividad general GR1 efectuada en Chapel Hill en Enero de 1957, Feynman ofreció un brillante argumento acerca de que las ondas gravitatorias deben portar energía. El argumento anticipó por sesenta años al descubrimiento realizado en el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferencia Láser (LIGO) en Febrero de 2016, que confirmó la realidad de las ondas gravitatorias.
Las ondas teóricamente emitidas de dos masas que están fusionándose, formando espirales. Crédito de la imagen: LIGO Scientific Collaboration, IPAC Communications & Education Team.
Como hizo Feynman para terminar en una conferencia sobre la relatividad general? No estaba el inmerso en la electrodinámica cuántica (QED) y en el mundo de las partículas de la física? Cierto, esas fueron las áreas que le dieron el reconocimiento como premio el Nobel y otros galardones, pero como otros muy brillantes pensadores el tuvo intereses amplios.
Para entender como Feynman fue invitado, miraremos a los organizadores principales de la conferencia: El físico y matemático franco americano Cécile DeWitt-Morette y su esposo el teórico de campo Bryce DeWitt, quienes tenían ambos un gran respeto por el pensamiento independiente de Feynman. También consideremos el papel de una mayor fuerza detrás de la escena, el físico de Princeton John Archibald Wheeler, quien invitó a los conferencistas.
Richard Feynman a la edad que tenía cuando asistió a la conferencia de 1957. Crédito de la imagen: Caltech
La conexión de DeWitt-Morette con Feynman databa desde finales de la década de los 1940s, cuando ella lo visitó a él (junto con Freeman Dyson) en Cornell, discutieron integralmente su aproximación a la mecánica cuántica, y tomaron pasos para expresarla de una forma más rigurosa matemáticamente. Su esposo Bryce habia sido un estudiante de Julian Schwinger, un codesarrollador de QED junto con Feynman y buscaba construir la “gravidinámica cuántica” na teoría cuántica de la gravedad. La investigación demostró ser de lo más complicado que lo que él mismo pensó.
Finalmente, Wheeler fue el consejero en el trabajo para el PhD de Feynman en Princeton. A pesar de que el no era uno de los organizadores principales de la conferencia, el era altamente respetado y tenía grupo floreciente de investigadores sobre la gravedad. Consecuentemente, a el le fue dada carta blanca para traer muchos estudiantes y anteriores estudiantes a la conferencia tanto como el deseara. Entre ellos invitó a Joseph Weber, quien tenía un fuerte interés en las ondas gravitatorias, y a Charles Misner. Quien como Bryce Dewitt, estaba tratando de modificar la relatividad general para hacerla más amistosa con la naturaleza cuántica del Universo. Wheeler también invitó a Feynman, en la medida en que valoró a el ingreso de Feynman como un trabajador externo e independiente de este campo. El esperaba que Feynman sacara de su tarro puntos de vista y un conocimiento experto en QED que pudieran llevarles a otras soluciones mediante ofrecer sugerencias destacadas sobre como traer las teorías del electromagnetismo y la gravedad bajo la misma sombrilla de la mecánica cuántica.
Cuando Feynman llegó al aeropuerto Raleigh-Durham, el más cercano a chapel Hill, el no estaba seguro de cual de las Universidades regionales con “Carolina del Norte” era la anfitriona titular de la conferencia. Era la North Carolina State o la University of North Carolina? Por suerte, cuando reservo el taxi, el pensó en un pal. El preguntó al despachador si el había advertido que algunos de los pasajeros inmersos en sus pensamientos susurraban expresiones como “gi, miu, ñu” (unos términos de la relatividad general). El despachador ciertamente había recordado a cual campus ellos estaban dirigiéndose, y así Feynman se dirigió con seguridad al mismo lugar.
Calzada, de un pulsar orbitando una compañera en un sistema binario y las ondas gravitatorias (o rizos) en el espacio tiempo que surgen como un resultado. Crédito de la imagen: ESO/L.
El asunto de las ondas gravitatorias, fue una punto clave en el enfoque de la conferencia, que se remonta a los cálculos de Albert Einstein en 1916, las cuales fueron parte de sus primeros documentos sobre la relatividad general, Einstein y su asistente Nathan Rosen revisaron el asunto en un documento de 1936 “Existen las Ondas Gravitatorias?” en el cual examinaron un tipo de solución que poseía simetría cilíndrica, como una pequeña lata. Inicialmente ellos calcularon que las ondas eran artefactos del marco matemático y no eran realmente cosas que existieran físicamente — similares a la marca del cero en una cinta métrica que no tenía un significado tangible, como un corrimiento que constituye otro punto cero. Sin embargo, cuando ellos sometieron su documento a una Revisión Física este fue rechazado sobre la base de un arbitro anónimo — fue el matemático y físico de Princeton Howard Percy Robertson (la “R” en FLRW -Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker una solución de la ecuación de campo de la relatividad general de Einstein) — quien apuntó un error. Molesto por el rechazo, Einstein decidió volver a someter su documento rechazado al Journal of the Franklin Institute. Sin dar a conocer quien era el revisor, Robertson convenció a Einstein una manera de rectificar el error — la cual apuntaba a reales ondas gravitatoria cilíndricas después de todo, Einstein corrigió esto en la revisión. De esta manera una versión final del documento predijo las genuinas radiaciones gravitatorias moviéndose a través del espacio, similares a la radiación electromagnética.
No obstante, Rosen permaneció dubitativo. El desarrolló un argumento contra las ondas gravitatorias cargando energía, sobre la base de los cálculos usando lo que llamó la “la energía del pseudotensor”: una forma controvertida de planear la energía gravitatoria en una región local del espacio. El método es controvertido debido al mero cambio del sistema de coordenadas que altera su predicción. Rosen lo aplicó a las ondas cilíndricas moviéndose a través de un espacio vacío y demostró que su energía era cero en todos los puntos. Solo en los lugares donde la masa era real o la energía parecía tener energía gravitatoria. En cualquier otro, tales como los vacíos interestelares, la energía gravitatoria se desvanecía; de aquí que el no podía creer que hubiera una verdadera energía gravitatoria moviéndose a través de este. Luego Einstein murió en 1955, Rosen continuó arguyendo contra de la validez de las ondas gravitatorias.
Crédito de la imagen:European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS.
A pesar de que Rosen no asistió a la conferencia de Chapel Hill, un documento de su autoría fue leído, y sus ideas acerca de las ondas gravitatorias fueron discutidas. Wheeler, Weber, el físico británico Felix Pirani, y el matemático anglo-austriaco Hermann Bondi,y otros lucharon con las preguntas acerca de la realidad de la radiación de las ondas gravitatorias y de como medir la energía que ellas portaban. Y como uno de los grandes temas de la conferencia se desarrolló la teoría cuántica de la gravedad, muchos vieron una descripción correcta de las ondas gravitatorias como una persecución critica. Después de todo, si los fotones tienen una forma cuantizada de la radiación electromagnética, los gravitones (i}para usar la expresión moderna) serían la versión cuantizada equivalente, la cual debería ser igualmente bien entendidos por los clásicos antes de que los cuánticos intentaran dominarlos.
Presentada a Richard Feynman, quien tenia una repugnancia por la abstracción innecesaria. Si la radiación gravitatoria es real, esta debe conllevar energía. En lugar de debatir la cuestión técnica de si o no el pseudotensor definía la energía gravitacional correctamente, el se movió más hacia una linea más intuitiva de razonamiento, que ha llegado a ser conocida como el “argumento de las cuentas pegajosas.”
El argumento de Feynman es que las ondas gravitatorias deberían mover masas, justo como las ndas electromagnéticas mueven cargas a lo largo de una antena. Esto formaría la base del diseño del LIGO. Crédito: P. Halpern
En este experimento imaginario, Feynman imaginó un bastón delgado en el cual una masa está fija y una segunda masa, ligeramente separada de la primera, esta libre de deslizarse hacía adelante o hacía atrás, como una cortina en una barra. Estas masas serían análogas a un par de cargas encastradas en una antena receptora usada para seleccionar señales de radio. De la misma forma que una radiación electromagnética causaría que estas cargas oscilaran, lo mismo sucedería en una “antena gravitatoria” si una onda gravitatoria pasaba a través — con una ocurrencia de máximo efecto si la onda fuera transversa : en ángulos rectos a la varilla. Luego del impacto de una onda gravitatoria, una de la masas se aceleraría con relación a la otra, deslizándose hacía adelante o hacía aras a lo largo de la varilla. El movimiento de rozamiento generaría fricción entre las masas libres y la varilla, liberando calor en el proceso. De esta manera las ondas gravitatorias deben llevar energía con ellas. De otra forma como surgiría esta energía?
Joseph Weber con su primitivo detector de ondas gravitatorias, conocido como la barra de Weber: Colección especial de los archivos universitarios de la biblioteca de la University of Maryland
Inspirado, en parte, por la conferencia, Weber construyó una antena gravitatoria (llamada una “Barra de Weber”) en la Universidad de Maryland. Aun cuando, comenzó al final de la década de los 1960s, el declaró haber hallado evidencia de las ondas gravitatorias, la mayoría de la comunidad de físicos puso en duda que su aparato era lo suficientemente sensitivo, y cuestionó sus resultados, por que fueron incapaces de reproducirlos. La sensitividad de las Barras de Weber – en términos tanto de magnitud de la onda como de la frecuencia – pareció poco aproximado a la cosecha de los resultados fructíferos. Pero el proyecto LIGO, situado en los laboratorios gemelos en Hanford, Washington y Livingstone Louisiana, respectivamente, usó interferometríaii, espejos especiales y masas, y un mucho más grande aparato para aumentar significativamente la sensibilidad y confiabilidad del experimento.
El observatorio LIGO para detectar ondas gravitatorias en Hanford en el estado de Washington USA. Crédito: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Feynman murió en 1988, luego de la concepción inicial del LIGO pero mucho antes de que se identificara la primera onda gravitatoria. Indudablemente, el habría estado gratificado de saber que su cuidadosamente pensado experimento imaginario había pavimentado el camino para un descubrimiento increíble la energía que portaban las ondas que el razonó que deberían existir.
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i.El gravitón es una partícula elemental hipotética de tipo bosónico que sería la transmisora de la interacción gravitatoria en la mayoría de los modelos de gravedad cuántica. De acuerdo con las propiedades del campo gravitatorio, el gravitón debe ser un bosón de espín par (2 en este caso), ya que está asociado a un campo clásico tensorial de segundo orden. En cuanto a la masa del gravitón las mediciones experimentales dan una cota superior del orden de mg = 1,6 × 10−69 kg,4 aunque podría ser exactamente cero.
ii. La interferometría {ii} es una familia de técnicas utilizadas en múltiples ciencias y tecnologías, como astronomía, climatología, fibra óptica, metrología, metrología óptica, oceanografía, sismología, espectroscopia (y sus aplicaciones a química), mecánica cuántica, física nuclear y física de partículas, física del plasma, teledetección, interacciones biomoleculares, perfiles de superficie, microfluídica, tensión mecánica / medición de la deformación, y velocimetría;1 :1–2 que consiste en combinar la luz, como principio de superposición proveniente de diferentes receptores, telescopios o antenas de radio para obtener una imagen de mayor resolución.2
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí esperando que lo descubras
Simulción computarizada de dos agujeros negros fusionándose produciendo ondas gravitacionales.
Original de Paul Halpern
El físico Paul Halpern es autor del Laberinto Cuántico: Como Richard Feynman y John Wheeler revolucionaron el tiempo y la realidad.
Confrontado con una pregunta teórica, tal y como si existen o no las ondas gravitatorias, Richard Feynman nunca confió en las autoridades. En lugar de ello, el trató de desarrollar y convencerse a sí mismo de hallar una solución lo más simple posible, construyendo un argumento con principios básicos. Una vez el trató de desarrollar un asunto desde un punto de vista muy partículas de su pensamiento, y se sintió listo para persuadir a los demás. En la primera conferencia Americana sobre relatividad general GR1 efectuada en Chapel Hill en Enero de 1957, Feynman ofreció un brillante argumento acerca de que las ondas gravitatorias deben portar energía. El argumento anticipó por sesenta años al descubrimiento realizado en el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferencia Láser (LIGO) en Febrero de 2016, que confirmó la realidad de las ondas gravitatorias.
Las ondas teóricamente emitidas de dos masas que están fusionándose, formando espirales. Crédito de la imagen: LIGO Scientific Collaboration, IPAC Communications & Education Team.
Como hizo Feynman para terminar en una conferencia sobre la relatividad general? No estaba el inmerso en la electrodinámica cuántica (QED) y en el mundo de las partículas de la física? Cierto, esas fueron las áreas que le dieron el reconocimiento como premio el Nobel y otros galardones, pero como otros muy brillantes pensadores el tuvo intereses amplios.
Para entender como Feynman fue invitado, miraremos a los organizadores principales de la conferencia: El físico y matemático franco americano Cécile DeWitt-Morette y su esposo el teórico de campo Bryce DeWitt, quienes tenían ambos un gran respeto por el pensamiento independiente de Feynman. También consideremos el papel de una mayor fuerza detrás de la escena, el físico de Princeton John Archibald Wheeler, quien invitó a los conferencistas.
Richard Feynman a la edad que tenía cuando asistió a la conferencia de 1957. Crédito de la imagen: Caltech
La conexión de DeWitt-Morette con Feynman databa desde finales de la década de los 1940s, cuando ella lo visitó a él (junto con Freeman Dyson) en Cornell, discutieron integralmente su aproximación a la mecánica cuántica, y tomaron pasos para expresarla de una forma más rigurosa matemáticamente. Su esposo Bryce habia sido un estudiante de Julian Schwinger, un codesarrollador de QED junto con Feynman y buscaba construir la “gravidinámica cuántica” na teoría cuántica de la gravedad. La investigación demostró ser de lo más complicado que lo que él mismo pensó.
Finalmente, Wheeler fue el consejero en el trabajo para el PhD de Feynman en Princeton. A pesar de que el no era uno de los organizadores principales de la conferencia, el era altamente respetado y tenía grupo floreciente de investigadores sobre la gravedad. Consecuentemente, a el le fue dada carta blanca para traer muchos estudiantes y anteriores estudiantes a la conferencia tanto como el deseara. Entre ellos invitó a Joseph Weber, quien tenía un fuerte interés en las ondas gravitatorias, y a Charles Misner. Quien como Bryce Dewitt, estaba tratando de modificar la relatividad general para hacerla más amistosa con la naturaleza cuántica del Universo. Wheeler también invitó a Feynman, en la medida en que valoró a el ingreso de Feynman como un trabajador externo e independiente de este campo. El esperaba que Feynman sacara de su tarro puntos de vista y un conocimiento experto en QED que pudieran llevarles a otras soluciones mediante ofrecer sugerencias destacadas sobre como traer las teorías del electromagnetismo y la gravedad bajo la misma sombrilla de la mecánica cuántica.
Cuando Feynman llegó al aeropuerto Raleigh-Durham, el más cercano a chapel Hill, el no estaba seguro de cual de las Universidades regionales con “Carolina del Norte” era la anfitriona titular de la conferencia. Era la North Carolina State o la University of North Carolina? Por suerte, cuando reservo el taxi, el pensó en un pal. El preguntó al despachador si el había advertido que algunos de los pasajeros inmersos en sus pensamientos susurraban expresiones como “gi, miu, ñu” (unos términos de la relatividad general). El despachador ciertamente había recordado a cual campus ellos estaban dirigiéndose, y así Feynman se dirigió con seguridad al mismo lugar.
Calzada, de un pulsar orbitando una compañera en un sistema binario y las ondas gravitatorias (o rizos) en el espacio tiempo que surgen como un resultado. Crédito de la imagen: ESO/L.
El asunto de las ondas gravitatorias, fue una punto clave en el enfoque de la conferencia, que se remonta a los cálculos de Albert Einstein en 1916, las cuales fueron parte de sus primeros documentos sobre la relatividad general, Einstein y su asistente Nathan Rosen revisaron el asunto en un documento de 1936 “Existen las Ondas Gravitatorias?” en el cual examinaron un tipo de solución que poseía simetría cilíndrica, como una pequeña lata. Inicialmente ellos calcularon que las ondas eran artefactos del marco matemático y no eran realmente cosas que existieran físicamente — similares a la marca del cero en una cinta métrica que no tenía un significado tangible, como un corrimiento que constituye otro punto cero. Sin embargo, cuando ellos sometieron su documento a una Revisión Física este fue rechazado sobre la base de un arbitro anónimo — fue el matemático y físico de Princeton Howard Percy Robertson (la “R” en FLRW -Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker una solución de la ecuación de campo de la relatividad general de Einstein) — quien apuntó un error. Molesto por el rechazo, Einstein decidió volver a someter su documento rechazado al Journal of the Franklin Institute. Sin dar a conocer quien era el revisor, Robertson convenció a Einstein una manera de rectificar el error — la cual apuntaba a reales ondas gravitatoria cilíndricas después de todo, Einstein corrigió esto en la revisión. De esta manera una versión final del documento predijo las genuinas radiaciones gravitatorias moviéndose a través del espacio, similares a la radiación electromagnética.
No obstante, Rosen permaneció dubitativo. El desarrolló un argumento contra las ondas gravitatorias cargando energía, sobre la base de los cálculos usando lo que llamó la “la energía del pseudotensor”: una forma controvertida de planear la energía gravitatoria en una región local del espacio. El método es controvertido debido al mero cambio del sistema de coordenadas que altera su predicción. Rosen lo aplicó a las ondas cilíndricas moviéndose a través de un espacio vacío y demostró que su energía era cero en todos los puntos. Solo en los lugares donde la masa era real o la energía parecía tener energía gravitatoria. En cualquier otro, tales como los vacíos interestelares, la energía gravitatoria se desvanecía; de aquí que el no podía creer que hubiera una verdadera energía gravitatoria moviéndose a través de este. Luego Einstein murió en 1955, Rosen continuó arguyendo contra de la validez de las ondas gravitatorias.
Crédito de la imagen:European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS.
A pesar de que Rosen no asistió a la conferencia de Chapel Hill, un documento de su autoría fue leído, y sus ideas acerca de las ondas gravitatorias fueron discutidas. Wheeler, Weber, el físico británico Felix Pirani, y el matemático anglo-austriaco Hermann Bondi,y otros lucharon con las preguntas acerca de la realidad de la radiación de las ondas gravitatorias y de como medir la energía que ellas portaban. Y como uno de los grandes temas de la conferencia se desarrolló la teoría cuántica de la gravedad, muchos vieron una descripción correcta de las ondas gravitatorias como una persecución critica. Después de todo, si los fotones tienen una forma cuantizada de la radiación electromagnética, los gravitones (i}para usar la expresión moderna) serían la versión cuantizada equivalente, la cual debería ser igualmente bien entendidos por los clásicos antes de que los cuánticos intentaran dominarlos.
Presentada a Richard Feynman, quien tenia una repugnancia por la abstracción innecesaria. Si la radiación gravitatoria es real, esta debe conllevar energía. En lugar de debatir la cuestión técnica de si o no el pseudotensor definía la energía gravitacional correctamente, el se movió más hacia una linea más intuitiva de razonamiento, que ha llegado a ser conocida como el “argumento de las cuentas pegajosas.”
El argumento de Feynman es que las ondas gravitatorias deberían mover masas, justo como las ndas electromagnéticas mueven cargas a lo largo de una antena. Esto formaría la base del diseño del LIGO. Crédito: P. Halpern
En este experimento imaginario, Feynman imaginó un bastón delgado en el cual una masa está fija y una segunda masa, ligeramente separada de la primera, esta libre de deslizarse hacía adelante o hacía atrás, como una cortina en una barra. Estas masas serían análogas a un par de cargas encastradas en una antena receptora usada para seleccionar señales de radio. De la misma forma que una radiación electromagnética causaría que estas cargas oscilaran, lo mismo sucedería en una “antena gravitatoria” si una onda gravitatoria pasaba a través — con una ocurrencia de máximo efecto si la onda fuera transversa : en ángulos rectos a la varilla. Luego del impacto de una onda gravitatoria, una de la masas se aceleraría con relación a la otra, deslizándose hacía adelante o hacía aras a lo largo de la varilla. El movimiento de rozamiento generaría fricción entre las masas libres y la varilla, liberando calor en el proceso. De esta manera las ondas gravitatorias deben llevar energía con ellas. De otra forma como surgiría esta energía?
Joseph Weber con su primitivo detector de ondas gravitatorias, conocido como la barra de Weber: Colección especial de los archivos universitarios de la biblioteca de la University of Maryland
Inspirado, en parte, por la conferencia, Weber construyó una antena gravitatoria (llamada una “Barra de Weber”) en la Universidad de Maryland. Aun cuando, comenzó al final de la década de los 1960s, el declaró haber hallado evidencia de las ondas gravitatorias, la mayoría de la comunidad de físicos puso en duda que su aparato era lo suficientemente sensitivo, y cuestionó sus resultados, por que fueron incapaces de reproducirlos. La sensitividad de las Barras de Weber – en términos tanto de magnitud de la onda como de la frecuencia – pareció poco aproximado a la cosecha de los resultados fructíferos. Pero el proyecto LIGO, situado en los laboratorios gemelos en Hanford, Washington y Livingstone Louisiana, respectivamente, usó interferometríaii, espejos especiales y masas, y un mucho más grande aparato para aumentar significativamente la sensibilidad y confiabilidad del experimento.
El observatorio LIGO para detectar ondas gravitatorias en Hanford en el estado de Washington USA. Crédito: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Feynman murió en 1988, luego de la concepción inicial del LIGO pero mucho antes de que se identificara la primera onda gravitatoria. Indudablemente, el habría estado gratificado de saber que su cuidadosamente pensado experimento imaginario había pavimentado el camino para un descubrimiento increíble la energía que portaban las ondas que el razonó que deberían existir.
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i.El gravitón es una partícula elemental hipotética de tipo bosónico que sería la transmisora de la interacción gravitatoria en la mayoría de los modelos de gravedad cuántica. De acuerdo con las propiedades del campo gravitatorio, el gravitón debe ser un bosón de espín par (2 en este caso), ya que está asociado a un campo clásico tensorial de segundo orden. En cuanto a la masa del gravitón las mediciones experimentales dan una cota superior del orden de mg = 1,6 × 10−69 kg,4 aunque podría ser exactamente cero.
ii. La interferometría {ii} es una familia de técnicas utilizadas en múltiples ciencias y tecnologías, como astronomía, climatología, fibra óptica, metrología, metrología óptica, oceanografía, sismología, espectroscopia (y sus aplicaciones a química), mecánica cuántica, física nuclear y física de partículas, física del plasma, teledetección, interacciones biomoleculares, perfiles de superficie, microfluídica, tensión mecánica / medición de la deformación, y velocimetría;1 :1–2 que consiste en combinar la luz, como principio de superposición proveniente de diferentes receptores, telescopios o antenas de radio para obtener una imagen de mayor resolución.2