Hace unos diez años, un ingeniero aeroespacial poco conocido llamado Roger Shawyer hizo una extraordinaria afirmación. Al hacer rebotar microondas dentro de un cono truncado, el resultado será un impulso hacia el lado estrecho del cono. Y, ¡voilá! Un propulsor revolucionario capaz de enviar naves espaciales a otros planetas y más allá. Shawyer lo denominó EmDrive (o propulsor de cavidad resonante RF).

El anuncio de Shawyer resultó altamente polémico. El sistema convierte un tipo de energía en energía cinética, y existen bastantes sistemas más que hacen algo parecido. En ese sentido, es bastante poco sorprendente.

Los problemas conceptuales surgen con el impulso. El impulso total del sistema aumenta a medida que empieza a desplazarse. Pero, ¿de dónde surge este impulso? Shawyer no ofrecía ningúna explicación convincente, y los críticos aseguraban que su idea violaba la ley de conservación del movimiento lineal.

Shawyer contestó con unos resultados experimentales que demostraban que el dispositivo funcionaba tal y como afirmaba. Pero sus críticos no se dejaron impresionar. El EmDrive, dijeron, era el equivalente a generar un impulso al quedarse de pie dentro de una caja y empujar contra los laterales. En otras palabras, era el equivalente físico del timo del aceite de serpiente que lo curaba todo.

Desde entonces, ha sucedido algo interesante. Varios equipos de todo el mundo han empezado a desarrollar y probar sus propias versiones del EmDrive. Y para sorpresa de todos, han empezado a replicar los resultados de Shawyer. El EmDrive, según parece, efectivamente genera un impulso.

En 2012, un equipo chino afirmó haber medido el impulso generado por su propia versión del EmDrive. En 2014, un científico estadounidense desarrolló un EmDrive y convenció a la NASA para que lo probara, con resultados positivos.

Y el año pasado, la NASA realizó sus propias pruebas en vacío para descartar el movimiento del aire como el origen de la fuerza. La NASA también confirmó que el EmDrive genera un impulso. En total, seis experimentos independientes han apoyado la afirmación inicial de Shawyer.

Esto nos deja una importante duda: ¿Cómo se explica entonces la aparente violación de la ley de conservación del movimiento lineal?

Hoy recibimos una especie de respuesta gracias al trabajo de Mike McCulloch de la Universidad de Plymouth (Reino Unido). La explicación de McCulloch se basa en una nueva teoría de inercia que hace unas soprendentes predicciones acerca de la manera en la que los objetos se desplazarán bajo unas aceleraciones muy pequeñas.

Primero, unos antecedentes. La inercia es la resistencia de todos los objetos masivos a los cambios de movimiento y a las aceleraciones. En la física moderna, la inercia es tratada como una propiedad fundamental de los objetos masivos sujetos a una aceleración. De hecho, la masa puede considerarse como una medida de la inercia. Pero por qué existe la inercia ha intrigado a los científicos durante siglos.

La idea de McCulloch es que la inercia surge de un efecto predicho por la relatividad general llamado efecto o radiación Unruh. Es la noción de que un objeto en aceleración carece de radiación de cuerpo negro. En otras palabras, el universo se calienta al acelerarse.

Según McCulloch, la inercia es simplemente la presión que ejerce la radiación Unruh sobre un cuerpo acelerado.

Dadas las aceleraciones que observamos normalmente en la Tierra, su afirmación resulta difícil de probar. Pero la cosa se vuelve más interesante cuando las aceleraciones son más pequeñas y la longitud de onda de la radiación Unruh se agranda.

Bajo aceleraciones diminutas, las longitudes de onda crecen tanto que ya no caben dentro del universo observable. Cuando sucede esto, la inercia sólo puede soportar determinados valores enteros de longitud de onda por lo que va saltando entre un valor y el siguiente. En otras palabras, la inercia ha de ser cuantificada para las aceleraciones pequeñas.

McCulloch afirma que existen pruebas observacionales de esto en forma de la famosa anomalía de sobrevuelo. Se trata de unos extraños saltos de movimiento observados en algunas naves espaciales a su paso por la Tierra de camino a otros planetas. Eso es exactamente lo que predice su teoría.

Probar este efecto en la Tierra de forma más cuidadosa resulta complicado debido al tamaño tan pequeño de las aceleraciones. Pero una manera de facilitarlo sería reducir el tamaño de las longitudes de onda permitidas de la radiación Unruh. "Puede que esto sea lo que hace el EmDrive", según McCulloch.

La idea consiste en que si los fotones disponen de una masa inercial, deben experimentar la inercia al reflejarse. Pero la radiación Unruh en este caso es diminuta. De hecho es tan diminuta que puede interactuar con su entorno inmediato. En el caso del EmDrive, esto es el cono truncado.

El cono permite una radiación Unruh de determinado tamaño en el lado más grande pero sólo una longitud de onda más pequeña en el otro lado. Así que la inercia de los fotones dentro de la cavidad debe cambiar al rebotar contra el cono. Y para conservar el movimiento, esto ha de generar un impulso.

McCulloch pone esta teoría a prueba al utilizarla para predecir las fuerzas que debe generar. Los cálulos precisos son muy complejos por la naturaleza tridimensional del problema, pero sus resultados aproximados concuerdan con la orden de magnitud del impulso en todos los experimentos realizados hasta la fecha.

De forma crucial, la teoría de McCulloch realiza dos predicciones comprobables. La primera es que colocar un dieléctrico dentro de la cavidad debería aumentar la eficacia del propulsor.

El segundo es que cambiar las dimensiones de la cavidad puede revertir la dirección del impulso. Eso sucedería cuando la radiación Unruh concuerde mejor con el lado estrecho que con el lado grande. Cambiar la frecuencia de los fotones dentro de la cavidad podría lograr un efecto similar.

McCulloch asegura que existen pruebas de que esto es precisamente lo que sucede. "Este empuje inverso puede haberse observado en los recientes experimentos de la NASA", afirma.

Es una idea interesante. El EmDrive de Shawyer tiene el potencial de revolucionar los vuelos espaciales porque no requiere carburante, el mayor factor limitante de los sistemas actuales de propulsión. Pero en ausencia de cualquier explicación convincente de cómo funciona, los científicos e ingenieros se sienten comprensiblemente recelosos.

La teoría de McCulloch podría ayudar a cambiar eso, aunque dista mucho de representar una idea establecida. Realiza dos suposiciones difíciles. La primera es que los fotones disponen de masa inercial. La segunda es que la velocidad de la luz ha de cambiar dentro de la cavidad. Eso no resultará fácil de digerir para muchos teóricos.

Pero, según van surgiendo más confirmaciones experimentales del EmDrive de Shawyer, los teóricos se están viendo en una posición cada vez más complicada. Si las explicaciones de McCulloch no sirven, ¿entonces qué? 

Ref: arxiv.org/abs/1604.03449 : Testing Quantized Inertia on the EmDrive