Fotones y la invarianza de Lorentz

En los últimos días ha aparecido un nuevo artículo que ha causado una gran atención y revuelo por parte de la física teórica, ya que se ha dado un paso más en la comprobación de la constancia de la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s) para todas las frecuencias (colores), lo cual puede ser un resultado que refuta varias de las teorías candidatas a unificar la física actual (la Relatividad General con la Cuántica básicamente).

El descubrimiento

Este artículo se basa en una observación reciente de un GRB (estallido de rayos gamma, o Gamma Ray Burst por sus siglas en inglés), los cuales son las explosiones más potentes que se conocen en el Universo, y que además duran un tiempo increíblemente corto: desde unos pocos milisegundos hasta unas pocas horas (según sean GRB de corta duración, menor a dos segundos, o de larga).
Que se libere esa enorme energía en tan poco tiempo significa que estos procesos que ocurren son extremadamente violentos, aunque por desgracia, todavía no se sabe muy bien qué los causa o qué son, aunque se cree que algunos son debidos a algún tipo especial de supernovas (debidas a estrellas extremadamente masivas) o colisiones entre estrellas con gran masa (entre dos estrellas de neutrones, por ejemplo).

Una de las cualidades de que sean tan energéticos es que emiten fotones (luz) de todas las frecuencias, desde luz visible hasta rayos gamma muy energéticos. Y aquí es donde vino este estallido en concreto, observado el 10 de mayo pasado con el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, donde se detectó el fotón más energético detectado hasta ahora, con una energía de 31 GeV (un fotón de luz visible tiene sobre 10 MeV, o 0.01 GeV, unas 3.000 veces menos energía).

Además de detectar dicho fotón con esa energía, éste llegó durante el primer segundo de la explosión (al mismo tiempo que otros fotones de energías más normales), que es el otro hecho que ha contribuido a que tenga tanta relevancia.

Las consecuencias

Una vez conocido lo que se ha medido, vienen las consecuencias de esto. Por una parte, con la física establecida de la Relatividad General tenemos la predicción de que todos los fotones (luz) viajan a la misma velocidad, esta es, la velocidad de la luz: 300.000 km/s (a esto se conoce como el invariante Lorentz).
Esta predicción permanece en la Teoría de Cuerdas (aunque algunas desviaciones de ésta predicen otras cosas también), pero en la Teoría Cuántica de Bucles, la otra gran teoría que está intentando unificar la Relatividad y la Cuántica, y otras teorías de gravedad cuántica, no predicen esto, sino que advierte de pequeñas desviaciones para fotones de gran energía, esto es, no todos los fotones viajarían a esa misma velocidad, y esto sería detectable para fotones de tan alta energía.

A pesar de que se predice esta desviación, no se sabe la forma de esta dependencia, por lo que podría ser lineal, cuadrática o de otra forma, pero con esta observación se rechaza que la dependencia sea lineal, ya que de ser así, y dada la lejanía de las fuentes de rayos gamma, estos fotones de tanta energía llegarían con horas o semanas de retraso.
Por supuesto, esto es un duro golpe contra la validez de las teorías de gravedad cuántica actuales, ya que este era uno de las predicciones principales que hacían y de los que se esperaba con mayor impaciencia.
A pesar de ello, todavía no sirve para descartarlas aún, ya que una dependencia cuadrática, por ejemplo, sería posible (este hecho es el no mencionado desde el lado de cuerdas).

De lo que si podemos estar seguros es que esto consiste en una prueba más de que las predicciones de la Teoría de la Relatividad son válidas, incluso a tan altas energías, ya que la velocidad a la que viajan dichos fotones y los de menos energía tiene que ser igual o mucho más cercana de lo que apuntaban algunas teorías (aunque nunca podemos estar seguros de que sea la misma, lo fundamental es ir poniendo límites a esta posible diferencia de velocidades).

Parece que la rivalidad entre ambas teorías seguirá por un tiempo al menos, como mostró de una forma acertada el capítulo de Big Bang Theory, usado precisamente este argumento para defender la cuántica de bucles (lo siento pero no encuentro un vídeo subtitulado):

Más información:

  • Artículo original, publicado en ArXiv.
  • Información suplementaria del artículo.
  • Buenas explicación en el blog de La ciencia de la Mula Francis (Francis thEmule science’s news)
  • Explicación en Back Reaction (blog en inglés de dos físicos teóricos)
  • Explicación en The Reference Frame (blog en inglés de un físico de cuerdas, un poco radical eso sí)
  • Estallidos de Rayos Gamma (GRB) en la Wikipedia inglesa.
  • 4 comentarios en “Fotones y la invarianza de Lorentz

    1. Genial! No sé por qué medio te habrás enterado de esto pero es una noticia muy relevante. En cuanto a las referencias que has dejado, el blog de los físicos teóricos parecía interesante, pero el del físico de cuerdas era bastante tremendista y exagerado.
      Gracias por poner el artículo orignial (6 páginas de autores y un formato algo cutre lo emborronan un poco pero bueno…). Igual algún día de estos consigo entender las figuras de los resultados, jeje.

    2. Por cierto, este mes ya se ha aprobado para su publicación en Nature dicho artículo, aunque eso sí, los de la revista les han obligado a suavizar sus conclusiones, bajando enormemente el límite al que se deduce que la Relatividad General sigue siendo válida (casi 2 órdenes de magnitud respecto de lo que apuntaban en el pre-print), debido al gran error presente en los datos.

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