Teoría Principio de Equivalencia Débil

Trataremos aquí de describir los fundamentos de una de las alternativas teóricas que se barajan, dentro del mundo de la Física, para explicarnos las razones del comportamiento que observamos del radio de curvatura de las galaxias, en el evento que las investigaciones que se están llevando acabo sobre la estructura de los halos galácticos determinen que éstos no comportan cantidades importantes de materia como para que su efecto sea el que se refleja en los gráficos que demuestran ese radio de curvatura.

Este es un tema que no solamente compromete a la hipótesis sobre los halos galácticos de materia oscura, sino que también a leyes fundamentales de la Física. De llegar a comprobarse observacionalmente que los halos de las galaxias no son los agentes determinantes del comportamiento del radio de curvatura de estos astros, no sólo se compromete a la hipótesis sobre la materia oscura, sino que también a otras y, lo que más preocupa, a leyes fundamentales de la Física. De suceder esto último, algunos científicos ya han colocado sobre la mesa teorías e ideas alternativas que pueden suplir las dificultades que puedan experimentar esas leyes. Una de esas teorías es la denominada "Dinámica Newtoniana Modificada" (DINEMO) o "Modified Newtonian Dynamics" (MOND).

La DINEMO, aparecida en el año 1983, fue presentada por su autor, el físico israelita Mordehai Milgrom, en el Astrophysical Journal. Esencialmente, promueve las curvas de rotación plana y las leyes astrofísicas de la materia oscura. En ella, Milgrom propugna la introducción, dentro del marco de una ley fundamental de la Física, de una nueva constante medular, a0, con dimensiones de aceleración, y cuyo valor es 2 x 10-8 cm. s-2.

Una sencilla forma de explicar, entre otras, los rasgos descriptivos de la DINEMO, es el enunciado que dice que la masa inercial de un objeto depende de la intensidad del campo al cual está sometido. Una estrella que está a gran distancia del centro de una galaxia está inmersa en un campo gravitacional débil; así su masa inercial es más pequeña, y cuesta menos acelerarla para mantenerla en órbita. De esta manera podemos tener curvas de rotación planas sin invocar cantidades enormes de materia. Aquí, las objeciones que se le hicieron por parte de Yabushita y Fenzi, no son procedentes, pues no se cambia la ley de fuerza. Más importante aún, todas las propiedades de sistemas extragalácticos quedan salvaguardadas y encuentran una explicación natural.

La sucinta descripción expuesta sobre la DINEMO, que obedece a una, entre otras, de sus posibles interpretaciones, en alguna medida se adhiere con el principio de Mach; también lo es la coincidencia entre los valores de a0 y cH0 y entre a0G-1 y las densidades de masa «superficial» máxima de galaxias (leyes de Freeman y de Fish en su versión moderna).

Esta teoría de Milgrom no es muy popular y está lejos de ser aceptada por la comunidad científica, pero a raíz de los avances en los trabajos de búsqueda de materia oscura en los halos de las galaxias, muchos de los integrantes de los diferentes equipos dedicados a la investigación de este tema, la han retomado para observar su posibilidad en diferentes escenarios. La falta de aceptación generada hasta ahora por la teoría, se debe, principalmente, a no haber sido posible, hasta la fecha, colocarla en un marco matemático autoconsistente y elegante con el mismo rango de acción que la Relatividad General. Ello, pese a que algunos de los problemas de la versión original desaparecieron con nuevas formulaciones que le introdujeron Bekenstein y el mismo Milgrom, en el año 1984. Pero tiene dificultades con casualidad (palabra que en este caso se refiere a la posible existencia de señales que se propaguen a velocidades mayores que la de la luz, que en el contexto de la Teoría Especial de la Relatividad da lugar a un gran número de paradojas). Sin embargo, lo anterior no impide hacer cosmología con esta teoría.

Uno de los problemas serios con que se enfrenta la DINEMO, es su profunda incompatibilidad con la Teoría General de la Relatividad (TGR). Uno de los principios medulares de la TGR es el llamado Principio de Equivalencia Fuerte (PEF), que enuncia que la masa inercial y la masa gravitacional de un objeto son exactamente iguales. Una vez descrito este principio se llega a la TGR de Einstein casi sin esfuerzo. Como se extrae del enunciado que ya describimos sobre la DINEMO, ésta requiere que la masa inercial, y no la masa gravitacional, dependa de la intensidad del campo a la que está sometida (o a la aceleración); DINEMO no satisface el PEF. En su lugar, satisface a lo que se llama Principio de Equivalencia Débil (PED). El PED, sólo dice que estas masas son proporcionales. Las evidencias experimentales sólo avalan el PED. El PEF viene a ser justificado casi exclusivamente por los éxitos que ha logrado la TGR en su contexto general.

Las evidencias observacionales que dan cabida a la DINEMO (sin consecuencias precisas para TGR) tienen que ver con la dinámica de los cúmulos estelares galácticos. Los campos gravitacionales dentro de estos cúmulos son muy débiles, lo que indicaría que las diferencias entre las predicciones de la DINEMO y TGR serían importantes. Cuando estudiamos estos objetos encontramos que no muestran evidencia de materia invisible u oscura, lo que estaría colocando en dificultades aplicativas a la DINEMO; pero, sin embargo, al encontrarse estos objetos en el campo gravitacional de nuestra galaxia, hace que las masas inerciales tengan los valores usuales, lo que hace que las predicciones de la DINEMO con las de la TGR coincidan. Este efecto, que la dinámica interna de un sistema dependa del campo en el que el sistema está cayendo, aunque éste sea constante (sus efectos de mareas son despreciables), viene a ser una transgresión sustancial del PEF. Pero es necesario subrayar que eso ocurre sólo dentro del marco previsto por DINEMO; para la TGR estos objetos no contendrían materia invisible u oscura.

Por otra parte, la DINEMO y la teoría de Newton con materia invisible u oscura pueden llegar a ser complementarias. Pero, eso sí, debemos comparar las predicciones de cada teoría como se encuentran en la actualidad formuladas, con las observaciones que puedan caber. Ahora bien, si se encuentran discrepancias significativas, esto no debe necesariamente implicar la destrucción de su esencia medular, sino más bien necesidades de algunos aspectos de reformulación. Es necesario considerar un espacio de tiempo lo suficientemente necesario para que la nueva teoría tenga la ocasión de poder refinarse, y a la antigua, por su condición meritoria de protegerse. Será necesario que el tiempo determine cual es la teoría que está evolucionando positivamente, aunque ello sea considerado poco consistente, pero que adquiere ribetes importantes cuando se observan ejemplos del pasado (e.g. éter y relatividad, física aristotélica y galiliana, etc.).

Pero lo importante es, en el fondo, el contar con herramientas teóricas para coadyuvarnos a encontrar respuestas sustentables para materias que aún no se encuentran sustanciales explicaciones. Para que la hipótesis de la materia invisible u oscura no pierda su rango de científica, está el hecho de que no podemos agregar masa a una galaxia impunemente. El físico pakistaní, con una gran parte de formación autodidacta y premio Nobel de Física en 1983, Subramanyan Chandrasekhar, en el año 1939 publicó un libro que tituló "Una introducción al estudio a la estructura estelar", y en él propugna y demuestra que un objeto masivo, moviéndose entre un grupo de otros objetos masivos, sufre un frenado, una desaceleración de naturaleza dinámica: al moverse este objeto, su masa afecta la trayectoria de los otros que lo rodean, creando una «estela» de exceso de masa tras él; esta estela masiva ejerce una fuerza gravitacional en el objeto que la creó, la que se llama fricción dinámica. Esta fuerza da lugar a una desaceleración cuya magnitud es proporcional a la masa del objeto que está siendo desacelerado. En otras palabras, aquellos objetos más masivos terminarán moviéndose más lentamente.

El efecto que hemos descrito anteriormente es tan importante que, cuando se hicieron las primeras simulaciones de cúmulos de galaxias, en la que se dividió la masa observada típica de cúmulos entre las galaxias que lo componen, no sólo se desarrolló un grado altísimo de segregación de masa, debido a que las galaxias más pesadas se hundían rápidamente hacia el centro del cúmulo, sino que todas las galaxias se desaceleraban rápidamente cayendo hacia el centro del cúmulo, provocando su rápido colapso. Fue esto último lo que invitó a los investigadores a asumir que la mayor parte de la masa de los cúmulos estaba asociada a un medio intergaláctico, y no a las galaxias. Así se logró disminuir la masa de las galaxias, reduciendo consecuentemente la magnitud de la aceleración de Chandrasekhar. Eso fue hecho en forma, digamos, casi sutil, no tanto como para proteger a la teoría newtoniana, sino que más bien para dar explicaciones a las observaciones. Sin embargo, trajo importantes implicaciones; la más directa de ellas fue eliminar efectivamente el proceso de fricción dinámica como un factor importante en la evolución de los cúmulos de galaxias. Es muy probable que el resultado de esto sea nuestra incapacidad de explicar, entre otras cosas, la formación de las galaxias elípticas, y en especial ese tipo de galaxias gigantes llamadas cD que habitan los

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