Dos pruebas de la relatividad mejor que una

Pruebas simultáneas de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein realizadas en Europa y Australia han permitido a los físicos concluir que la velocidad de la luz es constante en todas las direcciones, sin tener que hacer una importante suposición que había limitado la validez de las pruebas anteriores. Los investigadores realizaron dos tipos distintos de experimentos de Michelson-Morley – uno en cada continente – que les permitió descartar, por primera vez, violaciones a la Teoría de Einstein que podrían afectar a las propiedades físicas del equipo experimental y cambios en la medida de las salidas (arXiv:0706.2031v1).

Se realizaron dos pruebas de la invarianza de Lorentz en distintos puntos del globo: el experimento de Michelson-Morley de Berlín involucró cavidades de Fabry-Perot ópticas mientras que el experimento de Perth empleó microondas que susurraban en cavidades ópticas. Las distintas propiedades físicas de los dos experimentos permitió a los investigadores separar los posibles cambios en la velocidad de la luz de los cambios en la longitud de y los índices de refracción. (Cortesía: Holger Mueller).

La Teoría de la Relatividad Especial de Einstein de 1905 está basada en la idea de que la velocidad de la luz es constante en todas las direcciones a pesar del movimiento relativo del observador. Una consecuencia de la invarianza de Lorentz, esta propiedad se demostró por primera vez por Albert Michelson y Edward Morley en su famoso experimento de 1887.

Michelson y Morley dividieron un rayo de luz en dos y enviaron los rayos en ángulo recto hacia dos espejos distintos. Los rayos fueron reflejados de vuelta y recombinados para formar un interferómetro. Si los rayos viajaban a distintas velocidades en las dos direcciones –como pasaría si estuviesen pasando a través de un éter estacionario en el cual se movía la Tierra – entonces los rayos estarían fuera de fase cuando se recombinaran, llevando a un patrón de interferencia. No se reveló tal patrón – descartando la existencia del éter – y durante los últimos 120 años el experimento Michelson-Morley ha sido refinado y repetido para confirmar que la velocidad de la luz es constante en una parte entre 1016.

Sin embargo, existe una ligera duda alrededor del experimento Michelson-Morley, de acuerdo con Holger Mueller, físico de la Universidad de Stanford en California. Cualquier experimento de Michelson-Morley es también sensible a posibles cambios en la longitud viajada por la luz, y a cambios en el índice de refracción del medio por el que viaja la luz.

Tales cambios físicos podrían ser causados por violaciones en la Teoría de Einstein y podrían evitar que el experimento de Michelson-Morley detectase cambios en la velocidad de la luz. Por ejemplo, si tanto la velocidad de la luz como la distancia viajada por un rayo de luz cambian en el mismo factor, los cambios podrían cancelarse entre sí. Un marco de trabajo teórico general para describir la violación de la invarianza de Lorentz se define en la extensión del modelo estándar (SME).

En el pasado, la mayoría de los físicos simplemente suponían que las propiedades físicas de los experimentos de Michelson-Morley no cambian, y han interpretado los resultados como pruebas de la invarianza de Lorentz de la luz. Ahora, sin embargo, Mueller y sus colegas en Australia, Alemania y Francia han elaborado una forma de separar posibles cambios de la velocidad de la luz a partir de las variaciones en las propiedades físicas del aparato.

El equipo realizó dos experimentos distintos de Michelson-Morley – uno en Berlín involucraba luz infrarroja en cavidades ópticas y el otro en Perth, empleando la radiación de microondas en un par de cavidades de resonancia. La investigación se describirá en un próximo número de Physical Review Letters.

Los investigadores usaron SME para calcular los posibles cambios de las propiedades físicas de ambos experimentos así como de la velocidad de la luz. Aunque SME predice que la velocidad de la luz debería cambiar en ambos experimentos en el mismo factor, la teoría dice que los cambios en las propiedades físicas de los dos experimentos serán de distinto factor. Realizando ambos experimentos, Mueller obtuvo conjuntos de ecuaciones que podían resolverse para separar los posibles cambios en la velocidad de la luz de los cambios físicos.

Mueller dijo a Physics Web que los experimentos se ejecutaron a lo largo de un año, lo que significa que su equipo pudo medir violaciones de Lorentz que se hacen evidentes sólo mediante la modulación de la rotación del experimento relativa a un marco inercial, como la modulación producida por la órbita de la Tierra. Hacer las medidas en distintos puntos geográficos significa que los experimentos eran sensibles a distintas combinaciones de las violaciones de Lorentz, lo que aumentaría su capacidad para separar los cambios.

En resumen, el equipo fue capaz de afirmar que la invarianza de Lorentz no se viola en 14 parámetros asociados con el SME con una precisión de una parte en 1016. Aunque el equipo fue capaz de mejorar la precisión de algunos parámetros en un factor de 50 sobre los experimentos previos, Mueller cree que el significado real del trabajo del equipo es la capacidad de confirmar simultáneamente la invarianza de Lorentz de la luz y la materia sin suponer la invarianza de Lorentz de las propiedades físicas de los otros.


Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 28 de junio de 2007
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