¿Son las leyes de la física realmente universales?
“No es una posibilidad completamente loca”, dice Sean Carroll, físico teórico de Caltech, quien señala que, cuando preguntamos si las leyes de la física son mutables, en realidad estamos haciendo dos preguntas separadas: Primero, haga las ecuaciones de ¿La mecánica cuántica y la gravedad cambian con el tiempo y el espacio? Y segundo, ¿varían las constantes numéricas que pueblan esas ecuaciones?
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Impresión artística del cuásar 3C 279. Los astrofísicos usan la luz de los quásares para buscar variaciones en las constantes fundamentales. Crédito: ESO / M. Kornmesser, adaptado bajo una licencia Creative Commons.
Para ver la distinción, imagine todo el universo como un gran juego de baloncesto. Puedes ajustar ciertos parámetros sin cambiar el juego: eleva el aro un poco más alto, haz que la cancha sea un poco más grande, cambia la forma de anotar y sigue siendo baloncesto. Pero si le dices a los jugadores que comiencen a correr bases o patear goles de campo, entonces estás jugando un juego diferente.
La mayor parte de la investigación actual sobre la capacidad de cambio de las leyes físicas se ha centrado en las constantes numéricas. ¿Por qué? Es la pregunta más fácil de responder. Los físicos pueden hacer predicciones sólidas y comprobables sobre cómo las variaciones en las constantes numéricas deberían afectar los resultados de sus experimentos. Además, dice Carroll, no necesariamente abriría completamente la física si resulta que las constantes cambian con el tiempo. De hecho, algunas constantes han cambiado: la masa de un electrón, por ejemplo, era cero hasta que el campo de Higgs se convirtió en una pequeña astilla de un segundo después del Big Bang. “Tenemos muchas teorías que pueden adaptarse a las constantes cambiantes”, dice Carroll. “Todo lo que tiene que hacer para tener en cuenta las constantes dependientes del tiempo es agregar un campo escalar a la teoría que se mueve muy lentamente”.
Un campo escalar, explica Carroll, es cualquier cantidad que tenga un valor único en cada punto del espacio-tiempo. El campo escalar celebrity-du-jour es el Higgs, pero también puede pensar en cantidades menos exóticas, como la temperatura, como campos escalares también. Un campo escalar aún no descubierto que cambia muy lentamente podría continuar evolucionando incluso miles de millones de años después del Big Bang, y con él, las llamadas constantes de la naturaleza también podrían evolucionar.
Afortunadamente, el cosmos nos ha regalado algunas ventanas útiles a través de las cuales podemos mirar las constantes como lo fueron en el pasado profundo. Una de esas ventanas se encuentra en los ricos depósitos de uranio de la región de Oklo de Gabón, en África Central, donde, en 1972, los trabajadores descubrieron por casualidad un grupo de “reactores nucleares naturales”, rocas que se encendieron espontáneamente y lograron mantener reacciones nucleares durante cientos de años. de miles de años El resultado: “Un fósil radiactivo de cómo eran las reglas de la naturaleza” hace dos mil millones de años, dice Carroll. (En perspectiva, la Tierra tiene aproximadamente 4 mil millones de años y el universo se acerca a los 14 mil millones).
Las características de ese fósil dependen del valor de un número especial llamado constante de estructura fina, que agrupa un puñado de otras constantes (la velocidad de la luz, la carga en un electrón, la constante eléctrica y la constante de Planck) en un solo número, aproximadamente 1/137. Es lo que los físicos llaman una constante “adimensional”, lo que significa que en realidad es solo un número: no es 1/137 pulgadas, segundos o culombios, es simplemente 1/137. Eso lo convierte en un lugar ideal para buscar cambios en las constantes incrustadas en él, dice Steve Lamoreaux, físico de la Universidad de Yale. “Si las constantes cambiaran de tal manera que la masa de electrones y las energías de interacción electrostática cambiaran de manera diferente, aparecería en el 1/137 sin ambigüedades, independientemente del sistema de medición”.
Pero interpretar ese fósil no es fácil, y a lo largo de los años los investigadores que estudian Oklo han llegado a conclusiones aparentemente contradictorias. Durante décadas, los estudios de Oklo parecían mostrar que la constante estructura fina era absolutamente estable. Luego vino un estudio que sugiere que se ha vuelto más grande y otro que se ha vuelto más pequeño. En 2006, Lamoreaux (entonces en el Laboratorio Nacional de Los Alamos) y sus colegas publicaron un nuevo análisis que, según escribieron, era “coherente sin cambio”. Pero, señalaron, todavía era “dependiente del modelo”, es decir, ellos tuvo que hacer ciertas suposiciones sobre cómo la constante estructura fina podría cambiar.
Mediante el uso de relojes atómicos, los físicos pueden buscar cambios aún más pequeños en la constante de estructura fina, pero se limitan a observar las variaciones actuales que ocurren durante un año más o menos. Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado, compararon el tiempo que mantienen los relojes atómicos que funcionan con aluminio y mercurio para poner límites extremadamente estrictos al cambio actual en la constante de estructura fina. Aunque no pueden decir con certeza que la constante de estructura fina no está cambiando, si lo es, la variación es pequeña: solo cuadrillonésimos de un solo porcentaje cada año.
Hoy, los mejores límites sobre cómo las constantes podrían variar a lo largo de la vida del universo provienen de observaciones de objetos distantes en el cielo. Eso es porque, cuanto más lejos se ve en el espacio, más atrás en el tiempo se puede ver. La “máquina del tiempo” de Oklo se detiene hace dos mil millones de años, pero, utilizando la luz de los quásares distantes, los astrónomos han marcado la máquina del tiempo cósmica hace 11 mil millones de años.
Los cuásares son objetos extremadamente brillantes y antiguos que los astrónomos creen que probablemente son agujeros negros supermasivos brillantes. A medida que la luz de estos cuásares viaja hacia nosotros, parte de ella es absorbida por el gas a través del cual viaja. Pero no se absorbe de manera uniforme: solo se extraen longitudes de onda o colores muy particulares. Los colores específicos que se “eliminan” del espectro dependen de cómo interactúan los fotones de la luz del cuásar con los átomos en el gas, y esas interacciones dependen de la constante estructura fina. Entonces, al observar el espectro de luz de los quásares distantes, los astrofísicos pueden buscar cambios en la estructura fina constante durante miles de millones de años.
“En el momento en que la luz nos ha llegado aquí en la Tierra, ha recopilado información sobre varias galaxias que se remontan a miles de millones de años”, dice Tyler Evans, quien dirigió algunas de las mediciones de cuásar más rigurosas hasta la fecha mientras era estudiante de doctorado en Swinburne. Universidad Tecnológica de Australia. “Es análogo a tomar una muestra de núcleo de hielo o de la Tierra para saber cómo se comportaba el clima en épocas anteriores”.
A pesar de algunas sugerencias tentadoras, los últimos estudios muestran que los cambios en la constante de estructura fina son “consistentes con cero”. Eso no significa que la constante de estructura fina no esté cambiando en absoluto. Pero si es así, lo está haciendo de manera más sutil de lo que estos experimentos pueden detectar, y eso parece poco probable, dice Carroll. “Es difícil exprimir una teoría en la poca luz del día entre no cambiar en absoluto y no cambiar lo suficiente como para que podamos verla”.
Los astrofísicos también están buscando cambios en G, la constante gravitacional, que marca la fuerza de la gravedad. En 1937, Paul Dirac, uno de los pioneros de la mecánica cuántica, ofreció la hipótesis de que la gravedad se debilita a medida que el universo envejece. Aunque la idea no se mantuvo, los físicos siguieron buscando cambios en G, y hoy algunas teorías alternativas exóticas de la gravedad adoptan una constante gravitacional cambiante. Si bien los experimentos de laboratorio aquí en la Tierra han arrojado resultados confusos, los estudios fuera de la Tierra sugieren que G no está cambiando mucho, si todo. Más recientemente, los radioastrónomos registraron 21 años de datos precisos de tiempo desde un púlsar inusualmente brillante y estable para ver si podían rastrear cualquier cambio en su “pulso” regular de emisión de radio a cambios en la constante gravitacional. El resultado: nada.
Pero volviendo a la segunda mitad más difícil de nuestra pregunta original: ¿podrían estar cambiando las leyes de la física, y no solo las constantes cosidas en ellas? “Eso es mucho más difícil de decir”, dice Carroll, quien señala que hay diferentes grados de interrupción a considerar. Si las reglas de alguna “subteoría” de la mecánica cuántica, como la electrodinámica cuántica, resultaran fluidas, tal vez la teoría existente podría acomodar eso. Pero si las leyes de la mecánica cuántica en sí mismas están cambiando, dice Carroll, “eso sería muy extraño”. Ninguna teoría predice cómo o por qué podría ocurrir tal cambio; simplemente no hay un marco desde el cual investigar la pregunta.
Por lo que podemos decir, el universo parece estar jugando limpio. Pero los físicos seguirán rastreando el libro de reglas, buscando pistas de que las reglas del juego podrían estar cambiando a un nivel que aún no hemos percibido.
