La velocidad de la luz es constante, o eso dicen los libros de texto. Pero algunos científicos están explorando la posibilidad de que este límite de velocidad cósmica cambie, una consecuencia de la naturaleza del vacío del espacio.
La definición de la velocidad de la luz tiene algunas implicaciones más amplias para campos como la cosmología y la astronomía, que suponen una velocidad estable para la luz a lo largo del tiempo. Por ejemplo, la velocidad de la luz aparece cuando se mide la constante de estructura fina (alfa), que define la fuerza de la fuerza electromagnética. Y una velocidad variable de la luz cambiaría la fuerza de los enlaces moleculares y la densidad de la materia nuclear.
Una velocidad de la luz no constante podría significar que las estimaciones del tamaño del universo podrían estar apagadas. (Desafortunadamente, no necesariamente significa que podemos viajar más rápido que la luz, porque los efectos de las teorías físicas como la relatividad son una consecuencia de la velocidad de la luz). [10 implicaciones de un viaje más rápido que la luz]
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Dos artículos, publicados en el European Physics Journal D en marzo, intentan derivar la velocidad de la luz de las propiedades cuánticas del espacio mismo. Ambos proponen mecanismos algo diferentes, pero la idea es que la velocidad de la luz podría cambiar a medida que uno altere los supuestos sobre cómo las partículas elementales interactúan con la radiación. Ambos tratan el espacio como algo que no está vacío, sino una gran sopa de partículas virtuales que parpadean dentro y fuera de la existencia en pequeñas fracciones de segundo.
Vacío cósmico y velocidad de la luz.
El primero, del autor principal Marcel Urban de la Université du Paris-Sud, analiza el vacío cósmico, que a menudo se supone que es un espacio vacío. Las leyes de la física cuántica, que gobiernan las partículas subatómicas y todas las cosas muy pequeñas, dicen que el vacío del espacio en realidad está lleno de partículas fundamentales como los quarks, llamadas partículas “virtuales”. Estas partículas de materia, que siempre se combinan con su contraparte antipartícula apropiada, aparecen y chocan casi de inmediato. Cuando la materia y las partículas de antimateria se tocan, se aniquilan entre sí.
Los fotones de luz, mientras vuelan por el espacio, son capturados y reemitidos por estas partículas virtuales. Urban y sus colegas proponen que las energías de estas partículas, específicamente la cantidad de carga que transportan, afectan la velocidad de la luz. Dado que la cantidad de energía que tendrá una partícula en el momento en que golpea un fotón será esencialmente aleatoria, el efecto sobre qué tan rápido se mueven los fotones también debería variar.
Como tal, la cantidad de tiempo que tarda la luz en cruzar una distancia dada debe variar como la raíz cuadrada de esa distancia, aunque el efecto sería muy pequeño, del orden de 0,05 femtosegundos por cada metro cuadrado de vacío. Un femtosegundo es una millonésima de una billonésima de segundo. (La velocidad de la luz se midió durante el siglo pasado con gran precisión, del orden de partes por mil millones, por lo que está bastante claro que el efecto debe ser pequeño).
Para encontrar esta pequeña fluctuación, dicen los investigadores, se podría medir cómo se dispersa la luz a largas distancias. Algunos fenómenos astronómicos, como los estallidos de rayos gamma, producen pulsos de radiación lo suficientemente lejos como para detectar las fluctuaciones. Los autores también proponen el uso de láseres rebotados entre espejos colocados a unos 100 metros de distancia, con un haz de luz rebotando entre ellos varias veces, para buscar esos pequeños cambios.
Especies de partículas y velocidad de la luz.
El segundo artículo propone un mecanismo diferente, pero llega a la misma conclusión de que la velocidad de la luz cambia. En ese caso, Gerd Leuchs y Luis Sánchez-Soto, del Instituto Max Planck para la Física de la Luz en Erlangen, Alemania, dicen que el número de especies de partículas elementales que existen en el universo puede ser lo que hace que la velocidad de la luz sea lo que está.
Leuchs y Sánchez-Soto dicen que debería haber, según sus cálculos, del orden de 100 “especies” de partículas que tienen cargas. La ley actual que rige la física de partículas, el Modelo Estándar, identifica nueve: el electrón, el muón, el tauon, los seis tipos de quark, fotones y el bosón W. [Física loca: las pequeñas partículas más geniales de la naturaleza]
Las cargas de todas estas partículas son importantes para su modelo, porque todas ellas tienen cargas. Una cantidad llamada impedancia depende de la suma de esas cargas. La impedancia a su vez depende de la permitividad del vacío, o cuánto resiste los campos eléctricos, así como su permeabilidad, o qué tan bien soporta los campos magnéticos. Las ondas de luz están formadas por una onda eléctrica y magnética, por lo que cambiar esas cantidades (permitividad y permeabilidad) cambiará la velocidad medida de la luz.
“Hemos calculado la permitividad y la permeabilidad del vacío como causadas por esas partículas elementales inestables virtuales efímeras”, escribió Soto-Sánchez en un correo electrónico a LiveScience. “Sin embargo, resulta de un modelo tan simple que uno puede discernir que esas constantes contienen contribuciones esencialmente iguales de los diferentes tipos de pares de partículas-antipartículas cargadas eléctricamente: tanto los conocidos como los que hasta ahora no conocemos”.
Ambos artículos dicen que la luz interactúa con pares virtuales de partículas-antipartículas. En el modelo de Leuchs y Sanchez-Soto, la impedancia del vacío (que aceleraría o disminuiría la velocidad de la luz) depende de la densidad de las partículas. La impedancia se relaciona con la relación de campos eléctricos a campos magnéticos en la luz; Cada onda de luz se compone de ambos tipos de campo, y su valor medido, junto con la permitividad del espacio a los campos magnéticos, gobierna la velocidad de la luz.
Sin embargo, algunos científicos son un poco escépticos. Jay Wacker, físico de partículas en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC, dijo que no confiaba en las técnicas matemáticas utilizadas, y que en ambos casos parecía que los científicos no estaban aplicando las herramientas matemáticas de la manera que la mayoría lo haría. “La forma correcta de hacer esto es con los diagramas de Feynman”, dijo Wacker. “Es una pregunta muy interesante [la velocidad de la luz]”, agregó, pero los métodos utilizados en estos documentos probablemente no son suficientes para investigarlo.
El otro problema es que si realmente hay muchas otras partículas más allá de lo que está en el Modelo Estándar, entonces esta teoría necesita una revisión seria. Pero hasta ahora sus predicciones se han confirmado, especialmente con el descubrimiento del bosón de Higgs. Esto no significa que no se encuentren más partículas, pero si están allí, están por encima de las energías que se pueden alcanzar actualmente con los aceleradores de partículas y, por lo tanto, son bastante pesadas, y es posible que sus efectos se hayan mostrado en otros lugares. .
