Poniendo la relatividad a prueba

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.

Aunque 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.

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