Poniendo la relatividad a prueba

Lorentz_Einstein

Einstein y Lorenz en Leiden.

Una de las preguntas que recibo bastante a menudo es de qué se trata mi trabajo. Por años mi tema de especialidad ha sido la física de neutrinos, sin embargo en los últimos años he ampliado mi horizonte explorando la física de rayos cósmicos, astronomía de rayos gamma y la física de neutrones. Estos campos son bastante amplios, por lo que muchas veces necesito especificar cuál es mi tema particular de investigación. En artículos anteriores he mencionado que consiste en usar partículas para desafiar la relatividad, para ponerla a prueba. No se trata de simplemente decir “la relatividad está mal”; desafiar la relatividad se trata de desarrollar e implementar métodos matemáticamente consistentes para realizar búsquedas experimentales de situaciones en las que desviaciones de la relatividad pudieran aparecer. Este artículo se trata de la importancia de poner a prueba esta importante teoría y su conexión con la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad. Espero que sirva para explicar un poco en qué consiste mi trabajo y este activo campo de la física; además servirá de introducción para futuros artículos en los que describiré estudios particulares que estoy realizando con equipos en diferentes laboratorios del mundo.

De la física clásica a la física moderna y más allá

La mecánica clásica de Newton funciona, sólo basta con mirar los edificios a nuestro alrededor y puentes que cruzamos cada día, ingenieros usan las leyes de Newton para describir la dinámica de suelos, la resistencia de materiales y las condiciones de equilibrio que mantienen estas grandes estructuras en su lugar. El reino de la física newtoniana prevalece en nuestro diario vivir, por lo que ingenieros diseñando puentes, edificios y vuelos espaciales pueden seguir usándola sin problemas, sin embargo existen condiciones en las que la física de Newton deja de ser válida. Cuando nos encontramos con condiciones extremas, como partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz en un colisionador o en las cercanías de cuerpos extremadamente masivos la física de Newton deja de funcionar apropiadamente y es necesario usar una teoría más completa. Notar que esta nueva teoría contiene a la mecánica newtoniana como caso particular, es decir, no es necesario tirar la mecánica newtoniana al basurero. Es así como se desarrollaron modernas teorías como la relatividad y la mecánica cuántica, las que se reducen a las ecuaciones de Newton en las condiciones apropiadas.

La teoría de la relatividad también funciona. Esta observación ha sido confirmada una y otra vez en una gran cantidad de experimentos y desconocemos si hay condiciones en la que deje de ser válida, además del interior de agujeros negros o durante el Big Bang. Sin embargo habemos una clase de científicos herejes que nos cuestionamos ¿será la relatividad válida en todas las condiciones? ¿respetarán todas las partículas las reglas de la relatividad? El mismo Richard Feynman en el tercer volumen de las famosas Feynman Lectures exclama “hoy pensamos que la relatividad es válida para todas las energías, pero algún día alguien aparecerá y nos mostrará lo estúpidos que hemos sido”. Más que “alguien” hoy existe toda una comunidad de científicos de variadas disciplinas estudiando posibles situaciones en las que la relatividad podría dejar de funcionar a propiadamente. De la misma manera que la mecánica newtoniana es extendida por nuevas teorías, la relatividad podría necesitar modificaciones en ciertas condiciones. ¿Cuáles? No sabemos, ya que hasta ahora la relatividad parece funcionar.

Dado que no existe evidencia experimental de desviaciones de la relatividad entonces cabe preguntarse ¿para qué molestarse describiendo física más allá de la relatividad? Existen varias motivaciones, una de ellas es la preciada gravedad cuántica, teoría que todavía desconocemos pero que nos ayudaría a comprender la física de los agujeros negros y del Big Bang. En la búsqueda de una teoría unificada de la gravitación y la física cuántica varias ideas han sido propuestas. La más popular es la llamada teoría de cuerdas, pero existen muchas otras “teorías candidatas” a describir la gravedad a nivel cuántico, cada una con sus beneficios y problemas. Algo que muchas parecen tener en común es la posibilidad de que un ingrediente básico de la relatividad podría fallar, esto fue descubierto por Alan Kostelecký y Stuart Samuel en teoría de cuerdas en 1989. Este ingrediente se conoce como simetría de Lorentz, en honor al físico neerlandés Hendrik Lorentz (sentado junto a Einstein en la famosa imagen del Congreso de Solvay de 1927). A pesar de lo misterioso que puede sonar, la simetría de Lorentz es una idea notablemente simple, incluso espeluznantemente simple: las leyes de la física son las mismas en un laboratorio en reposo o en un laboratorio en un tren que se mueve a velocidad constante y sin importar la orientación del laboratorio. Digo “espeluznantemente simple” porque la relatividad es en realidad una consecuencia de que la naturaleza parece respetar de manera exacta la simplicidad de la simetría de Lorentz. Hace un tiempo escribí sobre la simetría de Lorentz y la mal llamada paradoja de los gemelos. Se podría decir que la simetría de Lorentz es el corazón de la relatividad especial y con esto de toda la física moderna (la relatividad general y el modelo estándar de física de partículas tienen como ingrediente la relatividad especial), por lo que la búsqueda de posibles fallas en la teoría de la relatividad se traducen en búsquedas de posibles desviaciones de una simetría de Lorentz exacta. Estas búsquedas experimentales pueden entenderse como versiones modernas y muy sofisticadas del famoso experimento de Michelson-Morley que buscaba evidencias del éter lumífero. Es importante aclarar que nadie intenta traer de vuelta la idea del hipotético éter lumífero del s.XIX, tampoco se trata de “probar que Einstein se equivocó” como lamentablemente  suelen tildar los medios este tipo de investigación. Buscar desviaciones de la relatividad consiste en estudiar bajo qué condiciones la relatividad podría dejar de ser válida, lo que tendría enormes consecuencias en nuestro entendimiento de la naturaleza.

Para diseñar estas modernas búsquedas de manera sistemática el mismo Kostelecký desarrolló una teoría efectiva (llamada Standard-Model Extension o SME) que describe todas las maneras matemáticamente consistentes en las que la simetría de Lorentz podría no ser exacta, lo que además de un tremendo logro teórico produjo un gran interés experimental. El desarrollo del SME condujo a una avalancha de estudios experimentales en este tema; en los últimos 25 años se han diseñado y realizado decenas de experimentos con diferentes tipos de partículas para medir los parámetros del SME. A pesar de que hasta ahora ninguna de las búquedas ha encontrado fallas en la relatividad, se han desarrollado nuevas técnicas experimentales empujando la sentividad de los instrumentos al límite. Más importante aún: existen muchas maneras en que estas desviaciones podrían manifestarse y la gran mayoría de estas posibilidades permanecen inexploradas.

Mi tesis de doctorado, bajo la supervisión de Kostelecký, consistió en diseñar este tipo de búsquedas usando neutrinos. Un profesor una vez me dijo que una de las grandes satisfacciones de cualquier físico teórico es ver que sus fórmulas son usadas para analizar los resultados de un experimento. Por esto ha sido un gran honor que importantes colaboraciones experimentales como MINOS (en EEUU) y Super-Kamiokande (en Japón), por mencionar algunas, hayan usado mi trabajo y realizado las búsquedas propuestas.

NuMiAunque no se han encontrado las señales buscadas no significa que la simetría de Lorentz sea exacta, pero indica que si cualquier desviación existe entonces debe ser muy pequeña y por esto no ha sido observada en estos experimentos.

Otra motivación para buscar desviaciones en la simetría de Lorentz es su conexión con un importante ingrediente de la física moderna llamado teorema CPT. Este teorema establece entre otras cosas que si en un experimento reemplazamos todas las partículas por sus antipartículas (C por conjugación de carga: equivale cambiar todas las cargas positivas por negativas y vice versa), al mismo tiempo que cambiamos la direción del espacio (P por paridad: equivale a ver el mundo en un espejo) y la dirección del tiempo (T por inversión temporal) entonces las leyes de la física serán las mismas. Este resultado también se conoce como simetría CPT. Si esta simetría CPT (que hasta ahora funciona) llegara a fallar entonces la simetría de Lorentz también debe fallar (esto es también un teorema descubierto en 2002 por Oscar Greenberg). Dado que CPT permite establecer relaciones entre materia y antimateria, cualquier desviación de la simetría CPT podría ayudar a explicar el imbalance de materia y antimateria luego del Big Bang y con esto explicar por qué existimos.

Ahora me dedico a construir métodos similares pero con fotones, los que serían relevantes para estudios usando rayos cósmicos y rayos gamma producidos por violentos eventos astrofísicos. Espero tener resultados interesantes para contar en el futuro.
De esto se trata desafiar la relatividad, dada su importancia como ingrediente básico de nuestras teorías modernas ponerla prueba es clave para estar seguros que no estamos construyendo teorías como castillos en la arena. Hasta la fecha los experimentos muestran que el suelo es sólido y la simetría de Lorentz no muestra señales de fallar, sin embargo esto no nos impedirá que sigamos buscando.

Para una introducción a este tema recomiendo el didáctico artículo The search for relativity violations publicado por Kostelecký en Scientific American hace unos años. Para quien le interese profundizar en aspectos técnicos, he escrito una introducción en mi web personal.

Artículo relacionado: Desafiando la relatividad con desintegraciones nucleares

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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16 respuestas a Poniendo la relatividad a prueba

  1. Es muy interesante y didáctica tu exposición, buscarle el pelo al huevo es algo que la humanidad siempre a hecho.

    A la relatividad se lo están buscando desde hace más de 100 años ; Lo que muestra, es que es bastante sólida.

    Como sabrás, cuando encontraron fallas en la teoría de Newton, no estaban buscando fallas en la teoría de Newton, sino que no podían explicar cosas que observaban y median, aplicando esta teoría.

    Cosa que ahora no pasa, nada encontraron, solo le están buscando el pelo al huevo.
    Es como entretenerse tratando de probar si existen los dioses.

    Tal vez si dejás de investigar un poco las partículas y te dedicaras a pensar con más amplitud el mundo y hasta filosofar un poco, por ahí te aparecen nuevas perspectivas.

    Seguramente te suenan Heráclito y Hegel, sus visiones de la naturaleza aclaran muchas cosas.
    Desde la antigüedad los humanos están buscando las causas iniciales de todo, el ladrillo primero.
    La partícula inicial e indivisible. Si hubieran reparado en Heráclito y Hegel se habrían dado cuenta de tal inutilidad.
    La cosas siempre vienen de apares y su interacción marca la evolución. No hay tu tía con eso.

    La Relatividad y la Cuántica, pueden ser uno de esos pares y su interacción nos daría toda la evolución de nuestro Universo desde sus comienzos.
    No se pueden mezclar.

    No tienen ninguna posibilidad las teorías sobre la unificación de las físicas.
    Lo paradójico es que eso no lo afirma la ciencia, lo afirman dos que de ciencia nada sabían, pero si sabían como funciona la naturaleza y cual es la esencia de la vida y la evolución.
    ¡¡Ahhhh!!, y sin instrumentos.

    Pensá que vos, obsesionado por el pelo del huevo Relativo, y yo también por otros motivos, no tenemos la más pálida idea de que cosa es la materia o la Gravedad actuando a distancia.

    El Bosón de Higgs, según muchos delirantes, el proveedor de materia, que se comía los chicos crudos, no permitió avanzar en lo más mínimo en nuestra comprensión de que cosa es la materia.

    A los físicos cuánticos que sueñan con unificar a la Física, creo que van a terminar como los nihilistas. Comprendiendo cual es la realidad cuando le ponen un fosforo encendido en las pelotas.

    Pero bueno, si te entretenés con estas cosas y te pagan encima, adelante, es tu vida.
    Una sugerencia, no se te ocurra participar del proyecto del gangoso Hawking, para enviar navecillas a las estrellas, porque aparte de no servir para nada, va al muere por cosa inútil.
    Rubén Ardosain

    • fernando dijo:

      Afirmar que las cosas sólo vienen de a pares y de ahí justificar el resto, más que filosófico suena a religioso. Hay que demostrarlo, comprobarlo, falsearlo sino es simple y llana fe

      • Fijate que hasta la idea de Dios sucumbió a la filosofía hegeliana.
        De ser el dios supremo y único creador, términos siendo uno de los dos dioses que se disputan el mundo ; El otro es el Sr Diablo.
        Las tres religiones más importante del mundo, las tres tuvieron que crear a un Dios Diablo para equilibrar las cosas.
        Tratá de ubicar alguna partícula o fenómeno que no tenga su imagen reflejada en un espejo.
        Si eso no habría equilibrio en el Universo.
        El equilibrio de los opuestos marcan el equilibrio del Universo.
        La termodinámica es una gran maestra, ¿te acordás de esto?, –Nada se crea y nada se destruye, todo se transforma–
        Esto viene del genial y olvidado Sadi Carnot.
        Te lo leo de otra manera, para crear algo o destruir algo ; Tenés que destruir algo o crear algo.
        Si esto no lo entendés, nada puedo hacer por vos. Al final todo se resume en, ¨Entendés o no entendés¨.
        Según Heráclito, Homero. el hombre más sabio de Grecia, ve a unos jóvenes pescadores en las rocas y les pregunta qué han pescado: “Lo que hemos visto y cogido, lo hemos tirado; llevamos lo que no hemos visto ni cogido”.
        Homero se retiró sin poder resolver el acertijo.
        A veces viene bien cambiar la mirada o perspectiva.
        En lo que comenté no hay nada de religioso o de fe.
        La búsqueda de la partícula elemental, eso si es un acto de fe, es religion en estado puro.
        Solo muestro realidades. Nada hay más de verdad científica que la realidad de la naturaleza misma.
        Tal vez te falte leer más y reflexionar más.
        La física no se perfila como la ciencia del futuro.
        Sobre todo porque los físicos miran cada vez menos a la naturaleza y cada vez más a los modelos matemáticos.
        Y cuando las cosas no le dan, agregan constantes hasta que el modelo da lo que ellos quieren.
        ¿Qué otra cosa son la materia oscura y la energía oscura?.
        Un cuerpo masivo, dicen que curva el espacio tiempo.
        A su vez para ellos el vacío es la nada ; ¿como se puede curvar la nada?
        ¿No será que el vacío es elástico, como si fuera el quinto estado de la materia?
        Porque resulta, que cuando el cuerpo masivo se retira, el el espacio vuelve a lo que era.
        Porque la luz no puede viajar en la nada ; supongo que si no escaparía de nuestro Universo.
        ¿Notaste que el campó gravitacional no tiene partícula asociada?
        Eso contradice al sistema estándar de partículas,
        Sin embargo los cuánticos siguen buscando el Graviton hace más de 100 años.
        Uno termina por suponer que tienen bosta en la cabeza. O son religiosos y esperan un milagro.
        También podés preguntarles, –El graviton debiera tener masa, pero si así fuera como podrían escapar a la gravedad de los agujeros negros–
        Parecen eruditos, pero erudición no es sinónimo de comprensión.
        ¿Y que me decís de la Metafísica, que gobierna las posibilidades humanas no importa lo que pueda hacer la física?
        Rubén Ardosain

  2. amarashiki dijo:

    ¡Excelente exposición Jorge! :)
    No recordaba ese comentario de Feynman, y eso que he leido las lectures unas cuantas veces…De esas veces supongo que te centras en los aspectos técnicos y no en los geniales comentarios de Richard… :)

    • Jorge Diaz dijo:

      Las ‘Feynman Lectures’ son un deleite no sólo por su contenido académico sino también por las varias frases notables de Feynman.

  3. Fabián Iglesias dijo:

    ¡Excelente artículo!

    Realmente es muy interesante lo que haces, me imagino que debe ser algo agotador; pero como dices, el hecho que la comunidad científica use tus fórmulas debe ser extremadamente gratificante y estimulante para continuar con esa búsqueda asombrosa.

    Mucho éxito en tus proyectos y te agradezco por publicar este artículo. ;)

    Saludos.

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Fabián,
      me alegra que te gustara el artículo; está pensado como introducción a otros que publicaré en el futuro próximo contando recientes estudios en los que estoy trabajando con experimentales en diferentes laboratorios. Así podré explicar de qué se tratan mis recientes papers. Un saludo.

  4. Albert dijo:

    Excelente artículo, muchas gracias.
    Dices que la violación CPT implica la violación de la Invariancia Lorentz. ¿El recíproco también es cierto? Es decir, si se descubre una violación de la Invariancia Lorentz, ¿implica que necesariamente también hay violación CPT en la Naturaleza?
    Gracias y saludos.

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Albert,
      esta es una interesante pregunta, algo técnica por lo que me tomaré la libertad de usar tecnicismos para responderla. Siendo bien cuidadoso con el lenguaje, en teorías de campo realistas, sí, violación CPT implica violación de la invariancia de Lorentz. Por ‘realista’ me refiero a teorías que no violan otros principios “sagrados” como causalidad. Hace unos años se han propuesto modelos de teorías de campos que violan CPT sin afectar la invariancia de Lorentz, pero se ha demostrado que estas teorías sufren de patologías poco agradables, como la imposibilidad de construir estados |in> y |out> por lo que no puede construirse la matriz de scattering… por lo que no son muy útiles.

      Respondiendo tu pregunta, la invariancia de Lorentz puede romperse sin afectar CPT, es decir, violaciones CPT son un subconjunto de las posibles violaciones de la invariancia de Lorentz (en teorías realistas). Esto se logra construyendo los llamados “CPT-even Lorentz-violating operators” que como su nombre señala rompen la simetría de Lorentz pero dejan CPT intacta. De la misma manera están los “CPT-odd Lorentz-violating operators” que como su nombre señala rompen ambas la simetría de Lorentz y CPT. Todos estos operadores forman el SME. Para detalles usando una analogía entendible a nivel de pregrado te recomiendo un review que escribí hace un tiempo arXiv:1406.6838. Un saludo.

  5. Pingback: Poniendo la relatividad a prueba — Conexión causal – Postgrado Física-Matemática. DCyT

  6. Pingback: Brian May, relatividad y dilatación del tiempo | Conexión causal

  7. cjma dijo:

    Se le puede echar un vistazo al siguiente enlace (para quien le apetezca y tenga tiempo) cuyo título es muy parecido al del presente artículo de Conexión Causal: “La relatividad del tiempo puesta a prueba”:
    http://forum.lawebdefisica.com/threads/30556-La-relatividad-del-tiempo-puesta-a-prueba

    La prueba que ahí se explica se denomina “Prueba del 8” y es una variante de la Paradoja de los Relojes (distinta de la famosa Paradoja de los Gemelos, en la cual intervienen aceleraciones tangenciales y fuerzas gravitatorias que rompen la simetría del problema y se salen de los límites de la relatividad especial).

    Un saludo.

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