Demuestran con una precisión sin precedentes la constancia de la velocidad de la luz

Uno de los retos de la física actual consiste en conseguir combinar con solidez las teorías de la relatividad general y de la mecánica cuántica. A consecuencia de estos intentos, varias teorías de gravedad cuántica predicen que la velocidad de la luz depende de la energía de sus partículas, los fotones.

El Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) y la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), con investigadores del Centro de Estudios e Investigación Espaciales de la UAB (CERES), han colaborado con la Universidad de Aveiro y la Universidad del Algarve (ambas de Portugal) para buscar esta dependencia a partir del análisis de observaciones astrofísicas de luz muy energética, emisiones de rayos gamma procedentes de fuentes muy lejanas. Con una precisión sin precedentes, la investigación muestra que la velocidad de la luz sigue siendo una constante universal.

Determinar con precisión la velocidad de la luz es un problema con una larga historia. En 1887 tuvo lugar uno de los experimentos más importantes en este sentido. Los científicos norteamericanos Michelson y Morley fracasaron en el intento de medir la velocidad de la Tierra mediante la comparación de la velocidad de la luz en la dirección del movimiento de la Tierra con la velocidad en dirección perpendicular. La velocidad era exactamente la misma en cualquier dirección, al margen del movimiento de nuestro planeta. 

Esta medida, posiblemente la «medida cero» más importante en la historia de la ciencia, llevó a Einstein a postular que la velocidad de la luz es constante y, en consecuencia, a formular su teoría de la relatividad especial. Esta teoría implica que todas las leyes de la física son iguales, independientemente del movimiento relativo entre los observadores, un concepto conocido como invariancia de Lorentz.

De manera paralela, se desarrolló la teoría cuántica, con la invariancia de Lorentz en el centro de todos sus marcos teóricos, en particular la teoría cuántica de campos y el modelo estándar de física de partículas, que se ha probado y verificado con más precisión que ninguna otra teoría física.

¿Debemos dudar de la invariancia de Lorentz, después de 115 años de éxito ininterrumpido? La respuesta comienza de nuevo con Albert Einstein, esta vez con su teoría de la relatividad general, que describe la gravedad como una deformación de la geometría del espacio-tiempo. Esta teoría también ha demostrado ser extremadamente exitosa y se ha probado con gran precisión en muchas circunstancias, que van desde la gravedad débil hasta la muy fuerte.

El problema radica en la incompatibilidad fundamental entre las funciones de onda de probabilidad de la teoría cuántica de campos —las entidades matemáticas que describen los sistemas cuánticos— con su movimiento a través de la geometría curva y, al mismo tiempo, con las modificaciones que provocan en la curvatura del espacio-tiempo. La mayoría de los intentos de reconciliar las dos teorías —relatividad general y mecánica cuántica— en un marco común de gravedad cuántica han dado lugar a la necesidad de romper la invariancia de Lorentz y considerar que la velocidad de la luz no es constante, aunque solo ligeramente. De esta manera, comprobar la constancia de la velocidad de la luz como lo plantearon Michelson y Morley es un reto que sigue vigente hoy.

Un equipo de investigadores liderado por Mercè Guerrero, exalumna de la UAB actualmente en la Universidad de Aveiro, y Anna Campoy Ordaz, estudiante de doctorado del IEEC en el Departamento de Física de la UAB, con la participación de Robertus Potting, de la Universidad del Algarve, y Markus Gaug, profesor agregado del Departamento de Física de la UAB y también miembro del IEEC, ha probado la invariancia de Lorentz, es decir, la constancia de la velocidad de la luz, con una precisión sin precedentes con la ayuda de la astrofísica. Los resultados se han publicado en la revista especializada Physical Review D.

Diversas teorías de la gravedad cuántica que violan la invariancia de Lorentz con el fin de salvar las incompatibilidades entre la relatividad general y la física cuántica predicen una dependencia de la velocidad de la luz con la energía de los fotones. Cualquier desviación de una velocidad constante de la luz debe ser extremadamente pequeña para seguir siendo compatible con las restricciones actuales de la física, pero puede llegar a ser detectable si nos fijamos en los fotones de energías más altas que podemos observar: los rayos gamma de muy alta energía.

«Esto es posible porque pequeñas diferencias en la velocidad de grupo de los fotones se pueden acumular en retrasos medibles en el tiempo de llegada a la Tierra, si los fotones se emiten simultáneamente desde una fuente situada a una distancia muy grande», explica Gaug, también adscrito al CERES.

«Combinamos una colección de límites existentes de medidas astrofísicas de rayos gamma de muy alta energía utilizando un nuevo método estadístico para probar una serie de parámetros de la extensión del modelo estándar, muy utilizado por los físicos teóricos, que violan la invariancia de Lorentz», detalla la investigadora del CERES Campoy Ordaz.

Los investigadores esperaban demostrar que Einstein estaba equivocado, pero, como tantos otros antes que ellos, no lo han conseguido. No obstante, la investigación ha multiplicado por diez el límite de precisión en la medida de la constancia de la velocidad de la luz.

La investigación para probar experimentalmente las predicciones de las teorías de la gravedad cuántica continúa, y pronto estarán disponibles instrumentos de nueva generación, como el Observatorio Cherenkov Telescope Array en las Islas Canarias (una colaboración con participación de varias unidades de investigación del IEEC), diseñados para mejorar enormemente el rendimiento en la detección de rayos gamma de energía muy alta procedentes de fuentes muy lejanas.

Nota de prensa elaborada en colaboración con la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).