Galileu, Newton, Einstein, sí, però... encara no entenem del tot la gravetat!

La gravetat és una força omnipresent. Habitual però, alhora, extraordinàriament misteriosa: una atracció universal irrefrenable, molt semblant a l’amor o a l’amistat profunda. És l’única força que es pot fer desaparèixer, com per art de màgia, i esdevenir pura geometria, curvatura del nostre espaitemps. Però, malgrat tot el que n’hem après, la seva comprensió definitiva sembla que encara no és al nostre abast.

Parlem de la més coneguda de les quatre forces fonamentals. La nostra relació amb ella comença ben aviat, poques setmanes després d’arribar al món: el dia que la mare ens diposita amb suavitat a terra. Des d’aquell instant, ens barallem amb la gravetat sense parar fins que, per fi, mesos més tard, aconseguim posar-nos drets i comencem a caminar! Però, tot i aquesta gran victòria, ella segueix sempre present, participant en tots els nostres jocs amb la pilota; i també l’hem de tenir en compte, en diverses ocasions, per tal de no prendre mal. Doncs bé, malgrat aquesta familiaritat tan estreta que hi acabem establint, si mai se’ns acudeix mirar-la directament als ulls, intentant apropar-nos-hi més, la gravetat ens defuig, i esdevé la força més difícil d’entendre, en termes científics. Més encara que l’electricitat, el magnetisme i les tan espectaculars forces nuclears.

La teoria més avançada que avui tenim sobre la gravetat, tot i haver assolit èxits extraordinaris al llarg del darrer segle, és posada ara en dubte. I per diverses raons. La més recent, els clars indicis que l’expansió de l’Univers s’accelera a un ritme no constant. Fet que, si es confirmés, requeriria una substancial revisió de la teoria general de la relativitat.

La gravetat ho envaeix tot

D’una forma ben subtil, ja que és, amb molt, la força més feble de les quatre fonamentals. Però l’única de la qual no et pots amagar; de cap manera. No val construir búnquers, caixes de Faraday, ni cap altre invent. Amagar-se d’ella és impossible!

Ja el gran Aristòtil, 350 anys aC, es va sentir atret per la gravetat. Arribà a la conclusió que tots els objectes queien perquè cadascun dels quatre elements (terra, aire, foc i aigua) tendia a retornar al seu lloc natural: el centre de l’Univers. I la Terra era precisament al bell centre de l’Univers.

El 1590, any més any menys, enfilant-se a la incomparable torre inclinada de Pisa (Fig. 1), Galileu va comprovar (no amb gaire precisió, si és que mai ho va fer, siguem francs) que la gravetat accelerava tots els objectes, que ell deixava caure, d’idèntica manera. Aquesta imatge tan famosa ha eclipsat tots els seus experiments, més rigorosos, que va fer amb plans inclinats.

Figura 1. Torre de Pisa - Imatge: Arne Müseler / www.arne-mueseler.com Creada: 2 abril 2022, CC BY-SA 3.0.

I, el 1687, Isaac Newton va vestir la gravetat de gala (ja tocava!), proclamant-la llei universal. Diuen que un dia, mentre descansava al seu jardí, es va fixar en una poma que queia sobre l’herba (Fig. 2). I es va adonar, de sobte, que la força amb què la Terra atreia la poma seria la mateixa amb què atrapava la Lluna, obligant-la a donar voltes i més voltes. I que igualment deuria passar amb el Sol i els seus planetes; i amb tots els objectes del cel. Eureka!

Figura 2. Caricatura que representa la famosa història especulativa sobre com Isaac Newton podria haver descobert la llei de la gravitació: fixant-se en una poma que cau mentre també mira la Lluna i s’adona que tots dos objectes (terrestres i celestes) estan sotmesos a la mateixa força: la gravetat - Imatge: Alexander Borek, Creada: 23 set 2019, CC-BY-SA-4.0.

D’acord amb la seva aclamada llei de gravitació universal, tots els objectes que hi ha a l’Univers s’atreuen entre ells, amb una força que és proporcional al producte de les seves masses i inversament proporcional al quadrat de la distància que els separa. Una llei inigualable, i que semblava definitiva.

Més enllà de Newton

Per a sorpresa del món sencer, Albert Einstein fou capaç d’anar molt més enllà. El 1915, es va treure de la màniga una teoria sublim, meravellosa, encara que absolutament incomprensible, esquizofrènica, però irreverentment perfecta! Va demostrar que la gravetat pot transmutar i desaparèixer, com per art de màgia, i convertir-se en pura geometria, en curvatura de l’espaitemps.

Com fou capaç un ésser humà de concebre una teoria semblant? D’endinsar-se fins a tal punt en el coneixement tan íntim de la gravetat? Passats més de cent anys, el 99,99% de la població continua encara sense entendre-ho. Però les observacions i els experiments més precisos són molt tossuts en confirmar que la teoria d’Einstein és extraordinàriament fidel a l’Univers.

O almenys ho era, fins no fa gaire. Ara mateix aquesta fidelitat ha entrat en crisi!

Einstein: “La meva teoria no és la definitiva”

Si Einstein encara fos viu, aquesta notícia tan impactant no l’hauria sorprès en absolut. Sí que l’hauria sorprès, i molt, el comprovar en persona que la seva teoria havia arribat intacta fins als nostres dies. Ja en formular-la, va deixar ben clar que era aproximada, que no era pas definitiva: “Altres la milloraran aviat”, va dir. Fins i tot en això anà més enllà de Newton, que sempre va creure que la seva llei de gravitació universal seria eterna.

Per tal d’entendre el que ara està passant, convé tirar una mica enrere. Hi ha dos tipus de forces: les que actuen per contacte i les que ho fan a distància. La gravitatòria, juntament amb la resta d’interaccions fonamentals (l’electromagnètica i les nuclears: forta i feble), actua a distància. Les forces de contacte són les més habituals, les que fem i veiem fer tothora, quan al matí aixequem pesos, caminem, pugem escales, o juguem a pilota; la força que fa la màquina quan arrossega el ferrocarril en què viatgem, o bé la d’un ascensor, quan ens puja al nostre pis. D’exemples, n’hi ha milions. Totes les forces de contacte es redueixen, sense excepció, a les fonamentals. Encara que descriure la manera com això té lloc, en cada cas concret, pot requerir d’una explicació molt complicada. Però el que sí que resulta realment estrany, és que una força es pugi transmetre sense cap contacte.

Ja per a Newton, l’acció a distància de la gravetat va constituir sempre un misteri irresoluble. Mai no va fer cap suposició sobre com aquesta força es transmetia d’un cos a un altre. És famosa la seva frase “et hipotheses non fingo” (‘jo no invento hipòtesis’).

Com es pot doncs explicar l’acció a distància?

Es va trobar una manera, acceptada per tothom: Faraday i Maxwell van formular el concepte de camp de forces per a l’electromagnetisme i Einstein, per a la gravetat. És el camp que crea un cos el que transmet la interacció, que arriba així a tots els altres cossos que hi ha al seu abast. L’abast de la gravetat és infinit, en teoria. El camp gravitatori mai no es fa igual a zero, però aviat la seva intensitat és tan i tan feble que ja no s’aprecia. Aquest “aviat” depèn de la massa del cos que produeix el camp. En el cas de la Terra, tots hem vist les imatges dels astronautes flotant lliurement quan la seva nau se n’ha allunyat uns pocs centenars de kilòmetres. Un lleuger impuls d’un/a astronauta de l’Estació Espacial Internacional (a uns 400 km) venç sobradament la poca gravetat terrestre que hi ha dins l’Estació.

Resumint aquest darrer concepte, el camp gravitatori és omnipresent: tot objecte en crea un al seu voltant i, en teoria, res no s’escapa de la seva influència. No només el crea un planeta, una galàxia o un forat negre. Una formiga o un microbi també el creen, encara que aquests són, ja d’entrada, del tot insignificants, gairebé impossibles de mesurar amb cap aparell.

Einstein, però, va dir molt més. En la seva teoria, les masses i el camp gravitatori poden fer-se desaparèixer. Queden substituïts per la geometria, per la curvatura de l’espaitemps (Fig. 3). La gravetat einsteiniana és, de fet, una teoria de l’espaitemps. Aquest fou el seu descobriment més extraordinari.

Figura 3. Concepte artístic de l’espaitemps corbat per la Terra, al seu voltant - Imatge: NASA.

Podria semblar, doncs, que ja ho tindríem tot resolt. Però la seva excepcional teoria no serveix per estudiar els àtoms (de fet, Einstein mai no va pretendre fer-ho). Aquí no és millor que la gravetat de Newton: entrem de ple en territori quàntic, on totes les teories clàssiques fracassen estrepitosament.

Per endinsar-se en el nanomon caldria quantitzar la gravetat. Tal i com ja es va fer, amb gran èxit, amb les tres altres forces fonamentals. Que ara manipulem, com aquell qui res, en aquest domini subatòmic; i n’hem derivat nombroses i importantíssimes aplicacions, industrials i quotidianes (i encara d’altres, de les quals és millor no parlar-ne). Doncs bé, tot i que s’ha intentat mil cops, resulta que la gravetat no es deixa quantitzar!

Què dimonis li passa?

A la recerca del sant grial

El sant grial de la física teòrica, perseguit durant dècades, és la teoria unificada de totes les forces de la natura, de vegades batejada com teoria del tot. Einstein va fracassar en els seus desesperats intents de trobar-la, sigui pel seu rebuig a les interpretacions ortodoxes de la mecànica quàntica o bé per la seva indiferència envers les teories de camps quàntics.

Altres físics i físiques prominents (la llista seria ben llarga) han aconseguit acostar-se a l’objectiu, unificant l’electromagnetisme i les forces nuclears, a molt altes energies: aquelles que van regnar a l’Univers poc després del Big Bang. Però la gravetat s’ha resistit fins ara a entrar a la cleda. Les alternatives per aconseguir fer-la entrar en raó (supercordes, teories de llaços), per bé que poderosíssimes, segueixen sense concretar-se. Potser perquè la gravetat té una naturalesa molt diferent de les altres forces fonamentals, malgrat que interacciona, com totes elles, a distància.

Einstein ja va descobrir el seu caràcter escapista. I Ted Jacobson, el 1995, va trobar-li un estret parentiu amb la termodinàmica: fou capaç d’obtenir, amb tots els pèls i senyals, les equacions d’Einstein partint de les equacions termodinàmiques. Beu-te aquesta! Raonament que, amb el meu col·laborador Pedro Silva, vàrem estendre a les teories de gravetat modificada. La conseqüència de tot plegat és que hi ha seriosos dubtes que la gravetat sigui una força fonamental al nivell de les altres tres. Podria resultar ser un fenomen emergent.

I què passa, per acabar, amb l’energia fosca?

Els cosmòlegs sabem, per llarga experiència, que l’energia fosca és bastant difícil d’explicar dins de la teoria d’Einstein. L’expansió accelerada de l’Univers només pot obtenir-se, en aquesta teoria, sobre la base d’una constant universal: la tan famosa constant cosmològica. Ja d’entrada, el seu valor teòric resulta molt difícil de quadrar amb les dades observacionals. Però és que, a més, el fet que sigui constant implica que l’acceleració còsmica s’hauria d’haver mantingut exactament igual al llarg de tota la seva història evolutiva. I aquest no sembla ser el cas, d’acord amb les observacions més recents i acurades (Fig. 4). La qual cosa, si finalment es confirma, requeriria de totes totes modificar la teoria general de la relativitat. També el problema de la matèria fosca sembla que podria ser resolt per aquest mateix camí.

Les observacions combinades de la NIRCam (càmera d’infrarojos propers) de la NASA i la WFC3 (càmera de camp ample 3) del Hubble mostren la galàxia espiral NGC 5584, situada a 72 milions d’anys llum de distància de la Terra. Entre les estrelles brillants de NGC 5584 hi ha estrelles polsants, anomenades variables cefeides, i supernoves de tipus Ia, una classe especial d’estrelles en explosió. Els astrònoms utilitzen variables cefeides i supernoves de tipus Ia com a marcadors fiables de l’escala de distàncies, amb la finalitat de mesurar de manera molt precisa la taxa d’expansió de l’Univers - Imatge: NASA, ESA, CSA, and A. Riess (STScI)

Einstein ja va advertir que havia hagut de truncar les seves equacions a ordre dos. Que, senzillament, no havia estat capaç d’anar més enllà. I passa que, tant el camí que condueix cap a la relativitat total com el que ens podria portar a la quantització del camp gravitatori, passen tots dos per tirar més llenya al foc: per afegir a les equacions més termes de curvatura de l’espaitemps. Però, quins? En això estem!

NOTA:

Una primera versió, més breu, d’aquest article va ser publicada a The Conversation, amb el títol: La gravedad está en crisis

Foto de capçalera: Composició de Harman Smith i Laura Generosa (JPL, NASA), any 2005. Domini Públic