Los científicos ponen en duda las leyes fundamentales de la naturaleza

Artículo de Space.com –Michael Schirber - Traducido por Liberto Brun Compte en Astroseti
La confianza pública en las "constantes" de la naturaleza puede que se encuentre en la mayor baja de todos los tiempos.
Investigaciones recientes han encontrado evidencia que el valor de ciertos parámetros fundamentales, tales como la velocidad de la luz o el pegamento invisible que mantiene juntos a los núcleos, pudo haber sido diferente en el pasado.

"No existe ninguna razón por la cual estas constantes debieran de ser constantes", dice el astrónomo Michael Murphy de la Universidad de Cambridge. "Estos son números famosos en la física, pero no tenemos una verdadera razón del porqué se encuentran en donde están".

Las diferencias observadas son menores – si acaso algunas partes por millón – pero las implicaciones son enormes: Las leyes de la física deberían rescribirse, eso por no mencionar que se necesitaría abrir un espacio para seis dimensiones espaciales más, adicionales a las tres que estamos acostumbrados a usar.

Líneas de evidencia
La evidencia para las constantes que varían se enfoca primariamente en el estudio de los quásares.
Los quásares son objetos extremadamente luminosos, con energía procedente de agujeros negros gigantes. Algunos de ellos están tan lejos que su luz se emitió hace 12 mil millones de años.
Los astrónomos estudian el espectro de esta luz ancestral para determinar si el universo primigenio era diferente que ahora. Específicamente, miran las líneas de absorción, que se deben a nubes de gas entre nosotros y los quásares.
Las líneas revelan exactamente lo que se encuentra en las nubes, ya que cada tipo de átomo tiene su propia “huella digital” – un juego de frecuencias específicas en las cuales se absorbe.
En 1999, Murphy y sus colegas encontraron la primera evidencia convincente de que estás huellas cambian con el tiempo. Utilizando datos del observatorio de Keck en Hawai, detectaron una diferencia en la frecuencia entre las líneas de un quásar de diez mil millones de años y las correspondientes líneas medidas en la Tierra.
Algunas de estas líneas dirigidas a la Tierra, no fueron demasiado bien descritas, de modo que Murphy y los otros llevaron a cabo recientemente unos experimentos de laboratorio para confirmar de que realmente existe una desviación en el espectro del quásar. Un espectro es básicamente la luz partida en sus frecuencias que la componen, muy similar a cuando la luz pasa a través de un prisma para producir el arco iris.

Qué es una constante
Debido a que las frecuencias de las líneas de absorción dependen de varios tipos de parámetros, las observaciones de quásares se interpretan algunas veces como indicación que la luz iba más rápida en el pasado, o que el electrón tenía una carga más débil.
Pero el teórico Carlos Martins de la Universidad de Cambridge le dice a LiveScience que esto no es totalmente correcto: "No tiene sentido hablar acerca de una variación de la velocidad de la luz o de la carga del electrón".
Esto es porque los valores de estos parámetros incluyen unidades que podrían cambiar. La velocidad de la luz, por ejemplo, podría medirse un día con una regla y un reloj. Si al siguiente día las mismas mediciones diesen un resultado diferente, nadie podría decir si la velocidad de la luz cambió, si cambió la longitud de la regla, o si cambió el tictac del reloj.
Para evitar esta confusión, los científicos utilizan constantes sin dimensión – números puros que son proporciones de cantidades medidas.
En el caso de los cambios en los datos de Murphy, la constante no dimensional relevante es la constante de estructura delgada a menudo designada por la letra griega alfa, la cual caracteriza la potencia de la fuerza electromagnética.
Los investigadores encontraron que alfa era más pequeña en el pasado, pero otros "números famosos" no serían inmunes a los cambios inexplicables del tiempo.
"Deberíamos esperar variaciones en todas las constantes fundamentales", dice Murphy.
Por lo mismo no fue totalmente una sorpresa cuando – en abril de este año – Patrick Petitjean del Instituto Astrofísico de París y sus colaboradores, detectaron un cambio en la proporción de la masa del protón al electrón en las líneas de absorción del espectro del quásar. La variación de masa puede interpretarse como la fuerza constante de acoplamiento en haber sido mayor en el universo primigenio, dice Petitjean.

Un agujero en la teoría
Las constantes de la naturaleza que varían con el tiempo violan el principio de equivalencia de Einstein, que dice que cualquier experimento que pruebe fuerzas nucleares o electromagnéticas debería dar el mismo resultado, sin importar donde o cuando se lleve a término.
Si este principio se rompe, entonces dos objetos dejados caer en un campo gravitacional deberían caer a velocidades ligeramente diferentes. Más aún, la teoría gravitacional de Einstein – la de la relatividad general – dejaría de ser totalmente correcta, dice Martins.
Una alternativa popular hacia la relatividad, que asume que las partículas subatómicas son cuerdas vibrantes y que el universo tiene 10 o más dimensiones espaciales, realmente predice constantes inconstantes.
Según esta teoría de las cuerdas, las dimensiones extras están ocultas para nosotros, pero las "verdaderas" constantes de la naturaleza se definen en todas las dimensiones. Por tanto, si las dimensiones ocultas se expanden o contraen, notaremos esto como una variación en nuestras constantes "locales" de 3D.
Aún si la teoría de las cuerdas no es correcta, el actual modelo de gravitación debería ser revisado para unirlo con las otras tres fuerzas fundamentales.
"Tenemos una teoría incompleta, de modo que miramos hacia agujeros que nos apuntarán hacia una nueva teoría", dice Murphy. Las constantes variables muy bien pueden ser ese agujero.
Sobre teoría de las cuerdas ver una introducción detallada II o bien, introducción I además puede leerse, la hermandad de la cuerda

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El otro lado
No todos los datos de quásares son consistentes con las variaciones. En el 2004, un grupo de astrónomos – incluido Patrick Petitjean del Instituto Astronáutico de París – no encontró cambio en la delgada estructura usando el espectro del quásar usando el Telescopio Muy Grande en Chile. No ha explicado hasta la fecha la discrepancia con los resultados del telescopio Keck.

"Estas mediciones son tan difíciles y se encuentran en el extremo final así que con lo que puede obtenerse mediante los telescopios es muy difícil de contestar a esta pregunta", dice Petitjean.

Otros experimentos aparte de la astronomía no han encontrado evidencia para la variación en la fina constante de la estructura (alfa), aunque no examinan el mismo período de tiempo que los quásares.
· Relojes atómicos: Comparando relojes extremadamente exactos, los investigadores han demostrado que el cambio actual por año en alfa es menos de una parte en un billón (un millón de billones en inglés).
· Mina Oklo: Esta mina de uranio en África fue el lugar original donde existió un reactor nuclear natural hace unos 2 000 millones de años. Un estudio concluyó que alfa no ha cambiado más de 10 partes por millón desde que existía el reactor natural. Pero un análisis más reciente muestra que depende de ciertas suposiciones.
· Argumentos antrópicos: Para que la vida se hubiese producido en la Tierra, muchas constantes pudieron no haber sido diferentes de lo que son hoy día. Por ejemplo, si alfa cambió en un 4 por ciento, entonces el carbono no podría producirse en las estrellas.
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Las cuatro fuerzas fundamentales pueden ser caracterizadas cada una por una constante sin dimensiones.
Fuerza: Mantiene juntas las partes de un núcleo.
Electromagnética: Mantiene a los electrones alrededor de los átomos; explica la luz.
Débil: Responsable de ciertas descomposiciones radioactivas.
Gravedad: Mantiene a los planetas, estrellas y galaxias para que no se separen.
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