Un nuevo análisis de las explosiones cósmicas y los púlsares ha acotado los límites sobre si la velocidad de la luz cambia en todo el universo
La velocidad de la luz es una de las constantes más fiables de la ciencia, un valor tan profundamente arraigado en la física moderna que cuestionarlo implica indagar en los fundamentos del funcionamiento de la naturaleza. Sin embargo, los físicos siguen volviendo a esta cuestión, no porque la relatividad esté fallando, sino porque cualquier mínima excepción podría indicar el camino hacia una teoría más profunda del universo.
Una nueva revisión aporta un nuevo enfoque a este esfuerzo. Al recopilar y reanalizar mediciones de púlsares , galaxias activas y estallidos de rayos gamma, el estudio ofrece una forma más consistente de comprobar si los fotones de diferentes energías podrían viajar por el espacio a velocidades ligeramente distintas. La respuesta sigue siendo negativa, pero los límites son ahora más precisos y el camino a seguir es más claro.
El problema se remonta a uno de los experimentos más conocidos de la física. En 1887, Albert Michelson y Edward Morley intentaron determinar si la Tierra se movía a través de un medio hipotético llamado éter luminífero, midiendo los cambios en la velocidad de la luz. No encontraron tal variación. Este resultado nulo sentó las bases de la teoría especial de la relatividad de Albert Einstein, que sostiene que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores y que la luz en el vacío viaja a una velocidad constante.
Ese principio, conocido como invariancia de Lorentz, se convirtió en uno de los pilares fundamentales de la física moderna. Es esencial para la relatividad especial, la teoría cuántica de campos y el Modelo Estándar , y ayuda a definir el comportamiento de la materia y las fuerzas. Pocas ideas científicas se han puesto a prueba tantas veces ni se han mantenido tan firmes.
Donde una ley básica aún enfrenta presión
Aun así, persiste una tensión sin resolver en el núcleo de la física. La teoría cuántica y la relatividad general siguen siendo extraordinariamente exitosas, pero no encajan a la perfección. La teoría cuántica describe las partículas y las fuerzas en términos de probabilidades y comportamiento ondulatorio. La relatividad general describe la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo. A escalas extremadamente pequeñas, estas concepciones comienzan a entrar en conflicto.
Esa discrepancia ha llevado a muchos investigadores a desarrollar teorías sobre la gravedad cuántica , y algunas de esas ideas contemplan la posibilidad de que la invariancia de Lorentz se rompa a energías muy altas. Si eso ocurriera, aunque fuera levemente, los fotones liberados simultáneamente por un evento cósmico distante podrían no llegar a la Tierra al mismo tiempo.
Esta posibilidad ha convertido al universo en un campo de pruebas natural. Los púlsares, los núcleos galácticos activos y las explosiones de rayos gamma emiten luz en un amplio rango de energías. Algunas de estas señales viajan miles de millones de años luz antes de llegar a la Tierra. A tales distancias, incluso un cambio mínimo en la velocidad de los fotones, que depende de la energía, podría convertirse en un retraso medible.
Los primeros intentos utilizaron esa lógica para establecer límites a una escala de energía asociada con posibles efectos de gravedad cuántica. Las desviaciones de orden inferior se llevaron a límites muy altos, cercanos o incluso superiores a la escala de Planck . Los efectos de orden superior resultaron más difíciles de determinar, pero las ráfagas más intensas y los detectores más avanzados mejoraron gradualmente esas estimaciones.
Mercè Guerrero y sus colegas revisan las pruebas
La nueva revisión aborda también otro problema: cómo comparar todas esas mediciones dentro de un marco coherente.
Con el paso de los años, los teóricos desarrollaron la Extensión del Modelo Estándar, que describe las posibles violaciones de Lorentz mediante numerosos coeficientes independientes en lugar de un único umbral de energía. Cada coeficiente representa un tipo particular de desviación en el comportamiento del fotón. En principio, este marco permite a los investigadores describir las posibles violaciones con mucho mayor detalle. En la práctica, traducir las mediciones astrofísicas de retardo temporal a dichos coeficientes ha resultado complejo.
Mercè Guerrero y sus colegas se propusieron hacer que esa traducción fuera más clara.
En colaboración con equipos de la Universitat Autònoma de Barcelona , el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña y la Universidad del Algarve , los investigadores revisaron las restricciones publicadas más sólidas y las reformularon en términos de la Extensión del Modelo Estándar. Su enfoque se centró en una familia de coeficientes no birrefringentes, que evitan complicaciones adicionales relacionadas con los efectos de polarización.
El equipo demostró que los parámetros de dispersión de fotones que se utilizan habitualmente en los estudios de tiempo de vuelo pueden reescribirse mediante armónicos esféricos. Esto es importante porque la extensión del Modelo Estándar permite efectos dependientes de la dirección. Un estallido en una parte del cielo no pone a prueba la misma combinación de coeficientes que un estallido en otra.
La revisión también corrigió varias inconsistencias en trabajos anteriores. Algunos análisis previos habían omitido términos importantes, mientras que otros no incluían incertidumbres sistemáticas. Guerrero y sus coautores añadieron incertidumbres instrumentales actualizadas para observatorios como el Telescopio de Gran Área Fermi, LHAASO y varias instalaciones terrestres. Asimismo, convirtieron las restricciones unilaterales anteriores en límites bilaterales con un nivel de confianza del 95 %, de modo que el conjunto completo de resultados pudiera compararse de forma más equitativa.
Desde una fuente a la vez hasta una imagen completa del cielo.
Varias fuentes recientes reforzaron el análisis, entre ellas el Púlsar del Cangrejo , la galaxia activa Mrk 421 y los estallidos de rayos gamma GRB 190114C y GRB 221009A. GRB 221009A produjo el límite individual más sólido de la revisión, mejorando las restricciones anteriores en más de un factor de diez.
Aun así, un solo disparo nunca es suficiente.
Un retraso en la llegada de los fotones no se debe automáticamente a nuevos fenómenos físicos. Podría originarse en la propia fuente, durante el proceso que generó la luz. Esto dificulta la interpretación aislada de cualquier evento. La única manera de llegar a conclusiones más sólidas es comparar numerosas fuentes en diferentes regiones del cielo.
Eso fue lo que hicieron los autores. Combinaron 65 mediciones para calcular 25 coeficientes diferentes en la Extensión del Modelo Estándar. Cada medición se trató como una distribución de probabilidad, se transformó en una distribución gaussiana multidimensional y se rotó a una base ortogonal. Esto permitió al equipo obtener límites separados para cada coeficiente, en lugar de solo límites generales combinados.
El resultado es un mapa mucho más claro de dónde podrían estar ocultos los efectos que violan la simetría de Lorentz . En el conjunto de coeficientes, los límites mejoraron aproximadamente en un orden de magnitud. Gran parte de esta mejora se debe a observaciones recientes más sólidas, pero también a un tratamiento más exhaustivo de las incertidumbres y a una selección más amplia de fuentes en la revisión.
El artículo también plantea una cuestión práctica para futuros trabajos. Muchos estudios publicados no proporcionan curvas de verosimilitud completas, lo que obliga a los investigadores posteriores a recurrir a aproximaciones al traducir los resultados a la Extensión del Modelo Estándar. Los autores argumentan que una presentación de informes más consistente haría que las restricciones futuras fueran más sólidas y más fáciles de combinar.
Una prueba más exigente, y aún queda más por venir.
El mensaje principal de esta revisión no es que la relatividad esté en peligro inminente, sino que la búsqueda de posibles fisuras en la invariancia de Lorentz se está volviendo más organizada, más cuantitativa y más sensible.
Michelson y Morley buscaron en su momento cambios en la velocidad de la luz causados por el movimiento de la Tierra a través de un supuesto éter. Hoy, los astrónomos buscan pequeñas diferencias en los tiempos de viaje de los fotones liberados por eventos violentos a miles de millones de años luz de distancia. Los métodos son muy diferentes, pero la pregunta fundamental sigue estando estrechamente relacionada: ¿la luz siempre obedece las mismas reglas?
Hasta ahora, la respuesta es sí.
Guerrero y sus colegas informan que, con aproximadamente una docena de mediciones más precisas, la sensibilidad a algunos coeficientes podría mejorar en otros cinco órdenes de magnitud. Esto otorga mayor importancia a futuros instrumentos como el Observatorio de Telescopios Cherenkov , que debería proporcionar datos más precisos de fuentes astrofísicas de alta energía.
Por ahora, la teoría de Einstein permanece intacta. Lo mismo ocurre con el legado de Michelson y Morley, cuyo resultado nulo abrió la puerta a una de las ideas más poderosas de la física. Lo que ha cambiado es la precisión del desafío. La luz que ha atravesado el universo se utiliza ahora para poner a prueba una de las leyes más básicas de la naturaleza con un rigor que las generaciones anteriores difícilmente podrían haber imaginado.
Implicaciones prácticas de la investigación
Este estudio no altera la tecnología cotidiana, pero refuerza una de las principales formas en que los físicos buscan nuevas leyes que vayan más allá de las teorías actuales.
Al proporcionar a los investigadores un método más preciso para convertir las observaciones astrofísicas en límites sobre la violación de la simetría de Lorentz , esta revisión hace que las mediciones futuras sean más útiles y comparables.
Si se confirma alguna violación, tendría graves consecuencias para los esfuerzos por unificar la teoría cuántica y la gravedad. Hasta entonces, este trabajo ayuda a delimitar el espacio donde aún podría estar oculta dicha nueva física.
Los resultados de la investigación están disponibles en línea en la revista Physical Review D.
El artículo original titulado » Un nuevo descubrimiento reescribe lo que sabemos sobre la velocidad de la luz » se publica en The Brighter Side of News.
