Em 1887, uma experiência inovadora mudou a nossa compreensão do universo. Os físicos americanos Albert Michelson e Edward Morley tentaram determinar o movimento da Terra no espaço comparando a velocidade com que a luz viaja em diferentes direções. Seus testes não encontraram diferença. Este resultado nulo inesperado tornou-se um dos resultados mais influentes da história científica. Isto levou Albert Einstein a propor que a velocidade da luz é constante, uma ideia fundamental por trás da sua teoria da relatividade especial.
A relatividade especial baseia-se no princípio de que as leis da física permanecem as mesmas para todos os observadores, independentemente de se moverem uns em relação aos outros. Este conceito é conhecido como invariância de Lorentz. Com o tempo, a invariância de Lorentz tornou-se uma suposição fundamental na física moderna, especialmente na teoria quântica.
Questione por que uma política funciona tão bem
A teoria quântica foi desenvolvida com a invariância de Lorentz em seu núcleo. Isto é especialmente verdadeiro para a teoria quântica de campos e o Modelo Padrão da física de partículas, que são as teorias científicas mais exaustivamente testadas já desenvolvidas e passaram em testes experimentais com notável precisão. Dado este historial, pode parecer estranho questionar a invariância de Lorentz após mais de um século de sucesso.
A motivação vem de outra conquista de Einstein. Sua teoria da relatividade geral explica a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Tal como a relatividade especial, foi confirmada com notável precisão em muitos ambientes, desde campos gravitacionais fracos até condições cosmológicas extremas.
A colisão entre a teoria quântica e a gravidade
Apesar dos seus sucessos individuais, a teoria quântica e a relatividade geral não se encaixam perfeitamente. A física quântica descreve a realidade usando funções de onda de probabilidade, enquanto a relatividade geral descreve como a matéria e a energia moldam a geometria do espaço-tempo. Estas duas abordagens lutam para coexistir quando as partículas se movem através do espaço-tempo curvo e também afetam essa curvatura.
As tentativas de unificar as duas teorias em uma única estrutura conhecida como gravidade quântica muitas vezes enfrentam obstáculos semelhantes. Muitas soluções propostas requerem pequenas violações da invariância de Lorentz. Estas violações serão extremamente subtis, mas poderão fornecer pistas sobre a nova física, para além da teoria actual.
Testando Einstein com luz do cosmos
Uma previsão compartilhada por vários modelos de gravidade quântica que violam a invariância de Lorentz é que a velocidade da luz pode depender um pouco da energia de um fóton. Qualquer efeito desse tipo deve ser pequeno o suficiente para corresponder aos limites experimentais existentes. No entanto, pode ser detectável nas energias mais altas dos fótons, especialmente nos raios gama de energia muito alta.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo ex-aluno da UAB Marce Guerrero e atual estudante de doutorado do IEEE na UAB Anna Campoy-Ordaz decidiu testar essa ideia usando observações astronômicas. A equipa incluiu ainda Roberts Potting, da Universidade do Algarve, e Marcus Gough, docente do departamento de física da UAB, também associado ao IEEC.
A sua perspectiva depende das vastas distâncias através do universo luminoso. Se fotões de diferentes energias forem emitidos ao mesmo tempo a partir de uma fonte distante, mesmo pequenas diferenças nas suas velocidades podem resultar em atrasos mensuráveis na chegada à Terra.
Restrições acentuadas na nova física
Usando uma nova técnica estatística, os pesquisadores combinaram medições existentes de raios gama de energia muito alta para testar vários parâmetros que violam a invariância de Lorentz, preferidos pelos teóricos da Extensão do Modelo Padrão (SME). O objetivo era ambicioso. Eles esperavam encontrar evidências de que as conjecturas de Einstein poderiam fracassar sob condições extremas.
Mais uma vez, a previsão de Einstein foi sólida. O estudo não detectou nenhuma violação da invariância de Lorentz. No entanto, os resultados são notáveis. A nova análise melhora os limites anteriores numa ordem de grandeza, restringindo drasticamente onde a nova física pode estar escondida.
A busca está longe. Os observatórios da próxima geração, como o Cherenkov Telescope Array Observatory, são projetados para detectar raios gama de energia muito alta com sensibilidade muito maior. Esses instrumentos permitirão que os cientistas continuem a investigar os fundamentos mais profundos da física e a levar as ideias de Einstein ao seu limite.
