La teoría especial de la relatividad testeada y validada (una vez más) por relojes atómicos ultra precisos en escalas cada vez más próximas a las de Planck

Imagina que estás a punto de crear un universo. ¿Como lo harias? Tan pronto como digas “háganse las leyes de la física”, inmediatamente te enfrentarás a un dilema. ¿Se aplicarán las mismas leyes a todos los observadores en tu universo, independientemente de dónde se encuentren? ¿O cambiarán las leyes a medida que te mueves o tomas diferentes direcciones? Claramente, la manera más equitativa y justa de proceder sería hacer que las leyes de la física sean las mismas para todos los observadores. Para un físico, tal igualdad y equidad de leyes físicas se denomina simetría, y la simetría que requiere que las leyes de la física sean iguales para todos los observadores se conoce como simetría de Lorentz.

Fue Einstein quien, en 1905, utilizó por primera vez la simetría de Lorentz para describir las leyes de la física en nuestro universo al utilizarla como postulado para su teoría especial de la relatividad. En ella, asumió que las leyes de la física, incluida la velocidad de la luz en el vacío, son las mismas para todos los observadores inerciales. Un observador inercial es cualquiera con un sistema de relojes y reglas calibrados que este en reposo o en movimiento en un marco de referencia que no está acelerando. Einstein determinó las consecuencias de la simetría de Lorentz y llegó a la sorprendente conclusión de que las mediciones de las longitudes y los intervalos de tiempo son diferentes cuando los hacen observadores inerciales que se mueven unos respecto a otros. El alcance de esta distorsión del espacio y el tiempo se describe mediante un conjunto de ecuaciones que ahora se conocen como transformaciones de Lorentz.

La simetría de Lorentz ha resistido hasta ahora las pruebas, pero en los últimos años, los teóricos han comenzado a cuestionar si es realmente una simetría inviolable de la naturaleza. Están motivados principalmente por uno de los mayores problemas no resueltos de la física: la integración de la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica. Las 2 teorías en desarrollo que buscan esta unificación son la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de lazos, Ambas permiten la posibilidad de que la simetría de Lorentz pueda violarse.

La escala de energía donde la gravedad se encuentra con la física cuántica se llama energía de Planck y es aproximadamente igual a 1E19 GeV. Esto es muchos órdenes de magnitud más grande que lo que podemos generar en el acelerador de partículas más poderoso. Por lo tanto, algunos físicos han llegado a la conclusión de que la física en la escala de Planck permanecerá inaccesible por siempre. Sin embargo, algunos experimentos recientes ya son sensibles a la física en la escala de Planck. De hecho, la búsqueda de la violación de Lorentz se ha convertido en el foco principal de los científicos que trabajan en el desarrollo de la gravedad cuántica.

La afirmación de que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores inerciales es lo que se conoce como invariancia de Lorentz del observador. Esta elegante simetría simplemente dice que las leyes de la naturaleza no pueden depender de la perspectiva de un observador. Por ejemplo, una persona en un tren en movimiento y una persona que espera en una estación, obedecen las mismas leyes de la física. Pero, ¿qué pasa si la persona en el tren se levanta y comienza a caminar? Darle a un objeto un movimiento con respecto a un marco de inercia fijo (el tren en este caso) se llama transformación de Lorentz..

Desde la perspectiva fija de un tren en movimiento, ¿un pasajero sentado y un pasajero en movimiento experimentan las mismas leyes de la física? Si no existe una violación de Lorentz, la respuesta es sí. En cambio, una violación de la simetría de Lorentz implicaría que las leyes de la física experimentadas por el pasajero en movimiento sean diferentes a las que siente el pasajero que permanece sentado.

En 1989, Kostelecky y Stuart Samuel de la City University de Nueva York demostraron que la teoría de cuerdas permite que la simetría de Lorentz se rompa espontáneamente en las altas energías del universo primitivo. Si la simetría de Lorentz se rompe espontáneamente, pequeños campos, reliquias del pasado, impregnarían el universo y apuntarían en direcciones elegidas espontáneamente. Una partícula elemental en presencia de uno de estos campos reliquia experimentaría entonces interacciones que tienen una dirección preferida en el espaciotiempo. En particular, podría haber direcciones preferidas en el espacio 3D en cualquier marco de referencia fijo, como un laboratorio basado en la Tierra.

Bajo esta premisa es posible detectar una posible violación de esta simetría. Existen varios métodos posibles. Uno de ellos es utilizando un par de relojes atómicos de iones de iterbio, ultra precisos alineados en direcciones espaciales perpendiculares mientras la Tierra rota y se traslada alrededor del Sol. Si existieran violaciones de la simetría de Lorentz, con el tiempo, los relojes deberían mostrar discrepancias en la medición del tiempo.

Recientemente se demostró que los relojes atómicos coincidieron en aproximadamente 1 parte en 1E18 (0,0000000000000000001) luego de 6 meses, lo que confirma con una precisión 100 veces mayor que las pruebas anteriores que la simetría de Lorentz, al menos por ahora, no fue violada.

El tic-tac de estos relojes ultraprecisos ha demostrado que Einstein tiene razón, una vez más. Que la teoría de la relatividad sigue siendo válida al acercarnos a la física de la escala de Planck y que la simetría de Lorentz, al menos por ahora sigue sin ser violada.

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