Demostren amb una precisió sense precedents la constància de la velocitat de la llum

Un dels reptes de la física actual consisteix a aconseguir combinar amb solidesa les teories de la relativitat general i de la mecànica quàntica. Com a conseqüència d’aquests intents, diverses teories de gravetat quàntica prediuen que la velocitat de la llum depèn de l’energia de les seves partícules, els fotons.

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), amb investigadors del Centre d’Estudis i Recerca Espacials de la UAB (CERES), han col·laborat amb la Universitat d’Aveiro i la Universitat de l’Algarve (ambdues de Portugal) per buscar aquesta dependència a partir de l’anàlisi d’observacions astrofísiques de llum molt energètica, emissions de raigs gamma procedents de fonts molt llunyanes. Amb una precisió sense precedents, la investigació mostra que la velocitat de la llum continua sent una constant universal.

Determinar amb precisió la velocitat de la llum és un problema amb una llarga història. El 1887 va tenir lloc un dels experiments més importants en aquest sentit. Els científics nord-americans Michelson i Morley van fracassar en l’intent de mesurar la velocitat de la Terra mitjançant la comparació de la velocitat de la llum en la direcció del moviment de la Terra amb la velocitat en direcció perpendicular. La velocitat era exactament la mateixa en qualsevol direcció, al marge del moviment del nostre planeta. 

Aquesta mesura, possiblement la «mesura zero» més important en la història de la ciència, va portar Einstein a postular que la velocitat de la llum és constant i, en conseqüència, a formular la seva teoria de la relativitat especial. Aquesta teoria implica que totes les lleis de la física són iguals, independentment del moviment relatiu entre els observadors, un concepte conegut com a invariància de Lorentz.

De manera paral·lela, es va desenvolupar la teoria quàntica, amb la invariància de Lorentz al centre de tots els seus marcs teòrics, en particular la teoria quàntica de camps i el model estàndard de física de partícules, que s’ha provat i verificat amb més precisió que cap altra teoria física.

Hem de dubtar de la invariància de Lorentz, després de 115 anys d’èxit ininterromput? La resposta comença de nou amb Albert Einstein, aquesta vegada amb la seva teoria de la relativitat general, que descriu la gravetat com una deformació de la geometria de l’espaitemps. Aquesta teoria també ha demostrat ser extremament exitosa i s’ha provat amb gran precisió en moltes circumstàncies, que van des de la gravetat feble fins a la molt forta.

El problema rau en la incompatibilitat fonamental entre les funcions d’ona de probabilitat de la teoria quàntica de camps —les entitats matemàtiques que descriuen els sistemes quàntics —amb el seu moviment a través de la geometria corba i, alhora, amb les modificacions que provoquen en la curvatura de l’espaitemps. La majoria dels intents de reconciliar les dues teories —relativitat general i mecànica quàntica— en un marc comú de gravetat quàntica han donat lloc a la necessitat de trencar la invariància de Lorentz i considerar que la velocitat de la llum no és constant, encara que només lleugerament. D’aquesta manera, comprovar la constància de la velocitat de la llum com ho van plantejar Michelson i Morley és un repte que continua vigent avui.

Un equip d’investigadors liderat per Mercè Guerrero, exalumna de la UAB actualment a la Universitat d’Aveiro, i Anna Campoy Ordaz, estudiant de doctorat de l’IEEC al Departament de Física de la UAB, amb la participació de Robertus Potting, de la Universitat de l’Algarve, i Markus Gaug, professor agregat del Departament de Física de la UAB i també membre de l’IEEC, ha provat la invariància de Lorentz, és a dir, la constància de la velocitat de la llum, amb una precisió sense precedents amb l’ajuda de l’astrofísica. Els resultats s’han publicat a la revista especialitzada Physical Review D.

Diverses teories de la gravetat quàntica que violen la invariància de Lorentz per tal de salvar les incompatibilitats entre la relativitat general i la física quàntica prediuen una dependència de la velocitat de la llum amb l’energia dels fotons. Qualsevol desviació d’una velocitat constant de la llum ha de ser extremadament petita per continuar sent compatible amb les restriccions actuals de la física, però pot arribar a ser detectable si ens fixem en els fotons d’energies més altes que podem observar: els raigs gamma d’energia molt alta.

«Això és possible perquè petites diferències en la velocitat de grup dels fotons es poden acumular en retards mesurables en el temps d’arribada a la Terra, si els fotons s’emeten simultàniament des d’una font situada a una distància molt gran», explica Gaug, també adscrit al CERES.

«Vam combinar una col·lecció de límits existents de mesures astrofísiques de raigs gamma d’energia molt alta utilitzant un nou mètode estadístic per provar una sèrie de paràmetres de l’extensió del model estàndard, molt emprat pels físics teòrics, que violen la invariància de Lorentz», detalla la investigadora del CERES Campoy Ordaz.

Els investigadors esperaven demostrar que Einstein estava equivocat, però, com tants altres abans que ells, no ho han aconseguit. No obstant això, la recerca ha multiplicat per deu el límit de precisió en la mesura de la constància de la velocitat de la llum.

La recerca per provar experimentalment les prediccions de les teories de la gravetat quàntica continua, i aviat estaran disponibles instruments de nova generació, com l’Observatori Cherenkov Telescope Array a les Illes Canàries (una col·laboració amb participació de diverses unitats de recerca de l’IEEC), dissenyats per millorar enormement el rendiment en la detecció de raigs gamma d’energia molt alta procedents de fonts molt llunyanes.

Nota de premsa elaborada en col·laboració amb la Universitat Autònoma de Barcelona.