¿Pueden cambiar las constantes de la naturaleza?

Dr. Stuart Clark. Podcast en 365 Days of Astronomy

La ciencia ha disfrutado de éxitos sin precedentes a la hora de describir la naturaleza haciendo uso de las matemáticas. Las ecuaciones son la forma que tenemos de comprender las leyes de la física y de predecir el comportamiento de los sistemas físicos. No parece probable que las leyes físicas cambien pero ¿Podemos decir lo mismo de, las así llamadas, constantes de la naturaleza?

Existen muchas constantes. Son valores que no se derivan de ninguna teoría y que por lo tanto, solo pueden ser determinados realizando mediciones.  Se las utiliza en las leyes de la física como valores de conversión para crear relaciones matemáticas exactas entre cantidades.

Algunas de las constantes se explican por sí mismas, como la velocidad de la luz. Otras son de más difícil comprensión, como la constante de Planck, que gobierna la forma en la que la naturaleza divide la energía en pequeños “paquetes”. A pesar de llamar constantes a estas cantidades, durante los últimos 15 años, ha habido una constante sospecha sobre si podrían cambiar ligeramente con el tiempo, especialmente la velocidad de la luz.

El universo está bañado en microondas. La física tradicional explica la temperatura casi uniforme de este fondo como resultado de un repentino periodo temprano de expansión exponencial en la historia del universo, pero lo que impulsó esta inflación sigue siendo un misterio. En 1993 el físico John Moffat señaló que si la velocidad de la luz hubiera sido mayor en el pasado, los fotones podrían haber viajado mucho más lejos y así podrían haber igualado la temperatura a través de una extensión mucho más amplia del espacio sin necesidad de invocar la inflación.

Ahora, los astrónomos estudian quásares distantes –núcleos de galaxias en formación impulsados por la acumulación de masa en agujeros negros− con la esperanza de atrapar los últimos vestigios de cualquier cambio en la velocidad de la luz. Pero tenemos que ser cuidadosos al sacar conclusiones de la medición de constantes que tienen unidades conectadas a ellas. La velocidad de la luz se mide en unidades de longitud y tiempo. Si se detecta una variación, los investigadores no pueden estar seguros de que sea la velocidad de la luz la que ha variado, o la velocidad a la que se ha movido el reloj o la longitud de la regla de medir. Por lo que se centran en el examen de constantes adimensionales. Supongamos que se mide la relación entre la masa del protón y la masa de un electrón, se cancelan las unidades –kilogramos– y la constante resultante será simplemente un número.

La llamada constante de estructura fina es adimensional. Se obtiene mediante la combinación de la velocidad de la luz con la constante de Planck y la carga de un electrón. Afecta a la estructura externa de cada átomo, que controla la forma en la que reaccionan los electrones de un átomo cuando este es atravesado por rayos de luz. Si la velocidad de la luz cambiara con el paso del tiempo, la constante de estructura fina cambiaría también, como lo haría el patrón característico de líneas producido por átomos.

En 1999, John Webb de la Universidad de Nueva Gales del Sur, dirigió un equipo que observó 128 quásares a más de 10.000 millones de años-luz. Recogieron la luz de los quásares y obtuvieron los  espectros, en busca de las huellas dactilares de los átomos intervinientes. Las líneas espectrales cambiaban de manera coherente con la constante de estructura fina, aumentado ligeramente con el transcurso de la historia cósmica, en alrededor de 1 parte cada 100.000 durante esos 10.000 millones de años.

Numerosos grupos de investigación están tratando de verificar o refutar esta idea porque el descubrimiento del cambio en las constantes tiene enormes consecuencias para nuestra comprensión del universo. Señala hacia una física que supere a Einstein, quizás incluso a la esquiva “teoría del todo".

La mayoría de los físicos creen que la mejor candidata para una teoría del todo es la teoría de cuerdas. Esta teoría matemática compleja reemplaza las partículas por cadenas de ondulaciones en dimensiones superiores a las tres dimensiones con las que estamos familiarizados. De acuerdo con la teoría de cuerdas, sólo si se tienen en cuenta todas las dimensiones superiores, permanecerá realmente constante el valor de las constantes físicas.

En el caso de la gravedad, la masa en kilogramos y la distancia en metros se equipara a una fuerza en newtons G, la constante gravitacional de Newton. Este también es otro objetivo para los físicos en busca de variaciones en las constantes, pero G es difícil de medir con precisión.

En 1987, los físicos creían que G tenía una precisión de 0.013%. Experimentos realizados en 1998 obligaron a bajar esta precisión hasta el 0,15%. El valor de G es extraordinariamente impreciso cuando se compara con la fuerza del electromagnetismo, que se sabe tiene una precisión 2,5 millones de veces mayor. Esta falta de precisión ha conducido a especulaciones sobre si esta constante podría estar cambiando lentamente con el tiempo, y por lo tanto cambiando la fuerza de gravedad. Dicha variación cambiaría gradualmente las órbitas de estrellas y planetas, afectaría al tamaño de los objetos celestes y determinaría el brillo de las estrellas.

Midiendo la distancia a la Luna utilizando un láser desde la Tierra se ha demostrado que el valor de G no puede variar más de una parte por millón al año. Otros físicos buscar cambios temporales en la fuerza de la gravedad provocada por el movimiento de la Tierra alrededor de su órbita.

Esto es debido a que la teoría de la relatividad de Einstein se apoya en el principio central que las leyes de la física son las mismas, en todo tiempo y lugar en el universo e independientemente de la forma en que nos movamos. Cómo transformar lo que un observador puede ver en el punto de vista del otro se conoce como la transformación de Lorentz, pero si cambian las constantes, la transformación de Lorentz ya no funcionaría de forma precisa. Produciendo una “violación de Lorentz”.

La teoría de cuerdas permite que se hayan producido pequeñas “violaciones de  Lorentz” en el Big Bang, creando su impronta sobre el tejido del espacio-tiempo y estas podrían hacer que G muestre un valor diferente en el transcurso de un año a medida que la órbita de la Tierra alrededor del Sol y viaja en diferentes direcciones a través del espacio. La forma obvia para probar esto es dejar caer objetos a lo largo del año y medir la rapidez con la que caen. La comparación de dos medidas separadas seis meses debe producir la mayor diferencia, porque entonces la Tierra está viajando en direcciones opuestas a través del espacio. El mejor lugar para realizar el experimento está en el espacio, porque cuando un objeto está en caída libre, pueden medirse con gran precisión variaciones gravitacionales muy pequeñas. Con este objetivo de seguir esta investigación se están diseñando una serie de misiones.

Los físicos seguirán buscando cambios en las constantes de la naturaleza, tanto los efectos a largo como a corto plazo, ya que creen que la teoría de cuerdas es la manera de unir la gravedad con las otras fuerzas. Midiendo la cantidad de cambio, serán capaces de hallar la versión correcta de la teoría de cuerdas y comprender mejor su imagen de un universo multidimensional.

Se dice que la teoría de la gravedad de Newton se inspiró en ver caer una manzana; con anterioridad Galileo dejó caer objetos desde edificios altos para descubrir que todos los ellos caen a la misma velocidad, independientemente de su composición o masa. Sería, por tanto, totalmente adecuado pensar que nuestro próximo avance en la comprensión del universo podría venir de la medición de la caída de objetos en órbita.


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