Experimento de Pound y Rebka para niños
El experimento Pound-Rebka es una prueba muy conocida para verificar la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. Fue propuesto por R. V. Pound y G. A. Rebka Jr. en 1959. Este experimento fue la última de las pruebas clásicas de la Relatividad General en ser confirmada, lo que ocurrió ese mismo año.
Es un experimento de corrimiento al rojo gravitacional, que mide cómo cambia el color de la luz (su frecuencia) cuando se mueve en un campo de gravedad. También se puede ver como una forma de probar la predicción de la Relatividad General de que los relojes deberían funcionar a velocidades diferentes en distintos lugares de un campo gravitatorio. Se considera que este experimento marcó el inicio de una era de pruebas muy precisas de la Relatividad General.
Contenido
¿Cómo Funciona el Experimento Pound-Rebka?
El Principio Básico de la Luz y los Átomos
Este experimento se basa en un principio fundamental: cuando un átomo pasa de un estado de alta energía (llamado "estado excitado") a un estado de baja energía (llamado "estado base"), emite una partícula de luz, un fotón. Este fotón tiene una frecuencia y energía muy específicas.
Si el mismo tipo de átomo en su estado base encuentra un fotón con exactamente esa misma frecuencia y energía, lo absorberá. Al absorberlo, el átomo vuelve a su estado de alta energía. Si la frecuencia o la energía del fotón son un poco diferentes, es mucho menos probable que el átomo pueda absorberlo.
La Gravedad y el Cambio de Frecuencia
Cuando un fotón viaja a través de un campo de gravedad, su frecuencia y, por lo tanto, su energía cambian. Este cambio se conoce como corrimiento al rojo gravitacional. Debido a este cambio, el átton que recibe el fotón casi nunca puede absorberlo.
Sin embargo, hay una solución. Si el átomo que emite el fotón se mueve a la velocidad correcta en relación con el átomo que lo recibe, se produce un efecto llamado corrimiento doppler. Este efecto Doppler puede cancelar el cambio causado por la gravedad. Cuando esto sucede, el átomo receptor puede absorber el fotón. La velocidad "correcta" de los átomos nos permite medir el corrimiento al rojo gravitacional.
¿Por qué se Necesitan Rayos Gamma?
La energía que cambia debido al corrimiento al rojo gravitacional en una distancia de 22.5 metros es muy, muy pequeña. El cambio en la energía es minúsculo, aproximadamente 2.5x10-15 (un número con 14 ceros después del punto decimal). Para detectar estas diferencias tan pequeñas, se necesitan fotones con mucha energía y una longitud de onda muy corta.
Los rayos gamma de 14 keV (kiloelectronvoltios) que emite el hierro-57 son perfectos para este experimento.
El Efecto Mössbauer: Un Rebote Especial
Normalmente, cuando un átomo emite o absorbe un fotón, el átomo se mueve un poco hacia atrás, como un pequeño "rebote". Este rebote le quita algo de energía al fotón. El cambio Doppler necesario para compensar este rebote sería mucho mayor que el cambio Doppler necesario para compensar el corrimiento al rojo gravitacional.
En 1958, un científico llamado Mößbauer descubrió algo importante. Cuando un átomo en un material sólido emite un rayo gamma, la energía del rebote es absorbida por todo el material sólido. Esto significa que el átomo emisor apenas se mueve. Es como si un cañón disparara una bala, pero no retrocediera mucho porque tiene muchas bolsas de arena detrás. Este descubrimiento fue clave para el experimento Pound-Rebka.
La Realización de la Prueba
Gracias al descubrimiento de Mößbauer, Pound y Rebka pudieron diseñar su experimento usando una técnica llamada Espectroscopia Mössbauer. La prueba se llevó a cabo en el laboratorio Jefferson de la Universidad de Harvard.
Colocaron una muestra sólida de hierro (57Fe) que emitía rayos gamma en el centro de un cono de altavoz. Este altavoz estaba en el tejado del edificio. Otra muestra de 57Fe, que actuaba como receptor, se colocó en el sótano. La distancia entre la fuente y el receptor era de 22.5 metros.
Los rayos gamma viajaron a través de una bolsa de Mylar llena de helio. Esto se hizo para evitar que los rayos gamma se dispersaran demasiado. Debajo de la muestra receptora de 57Fe, se colocó un contador de escintilación para detectar los rayos gamma que no fueran absorbidos por la muestra receptora.
Al hacer vibrar el cono del altavoz, la fuente de rayos gamma se movía a diferentes velocidades. Esto creaba diferentes cambios Doppler. Cuando el cambio Doppler cancelaba el corrimiento al rojo gravitacional, la muestra receptora absorbía los rayos gamma. Esto hacía que el número de rayos gamma detectados por el contador disminuyera.
Para asegurarse de que los resultados fueran precisos y evitar posibles errores, Pound y Rebka hicieron varias cosas:
- Cambiaron la frecuencia del altavoz entre 10 Hz y 50 Hz.
- Intercambiaron la posición de la fuente y el receptor.
- Usaron diferentes tipos de altavoces.
Resultados del Experimento
Los resultados del experimento Pound-Rebka confirmaron que las predicciones de la Relatividad General eran correctas. Las observaciones coincidieron con las predicciones con un nivel de confianza del 10%. Más tarde, Pound y Snider refinaron el experimento, mejorando la precisión a un nivel de confianza del 1%.
Otro experimento posterior, utilizando un máser de hidrógeno, logró aumentar aún más la precisión de estas mediciones.
Véase también
En inglés: Pound–Rebka experiment Facts for Kids
