Em 1887, uma experiência marcante mudou a nossa compreensão do universo. Os físicos americanos Albert Michelson e Edward Morley tentaram detectar o movimento da Terra no espaço comparando a velocidade da luz em diferentes direções. Seu experimento não encontrou nenhuma diferença. Este resultado nulo inesperado tornou-se um dos resultados mais influentes da história científica. Isto levou Albert Einstein a sugerir que a velocidade da luz é constante, e isto se tornou a pedra angular 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 como eles se movem uns em relação aos outros. Essa ideia é conhecida como invariância de Lorentz. Com o tempo, a invariância de Lorentz tornou-se uma suposição fundamental da física moderna, especialmente na teoria quântica.
Por que questionar um princípio que funciona tão bem
A teoria quântica se desenvolveu 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 é a teoria científica mais rigorosamente testada já criada e foi testada experimentalmente com extraordinária precisão. Dado este historial, pode parecer estranho questionar a invariância de Lorenz após mais de um século de sucesso.
A motivação vem de outra descoberta de Einstein. Sua teoria da relatividade geral explica a gravidade como a curvatura do próprio espaço-tempo. Tal como a relatividade especial, foi confirmada com notável precisão em muitos ambientes, desde campos gravitacionais fracos até condições espaciais extremas.
A colisão entre a teoria quântica e a gravidade
Apesar dos seus sucessos individuais, a teoria quântica e a relatividade geral são incompatíveis entre si. A física quântica descreve a realidade em termos de funções de onda de probabilidade, enquanto a relatividade geral descreve como a matéria e a energia moldam a geometria do espaço-tempo. Essas duas abordagens lutam para coexistir à medida que as partículas se movem através do espaço-tempo curvo e, ao mesmo tempo, afetam essa curvatura.
Os esforços para unificar as duas teorias em uma única estrutura conhecida como gravidade quântica muitas vezes enfrentam o mesmo obstáculo. Muitas soluções propostas requerem pequenas violações da invariância de Lorentz. Estas perturbações seriam muito subtis, mas poderiam fornecer pistas sobre a nova física, para além das teorias actuais.
Testando Einstein com luz vinda do espaço
Uma previsão partilhada por vários modelos de gravidade quântica que violam Lorentz é que a velocidade da luz pode depender ligeiramente da energia do fotão. Qualquer efeito desse tipo deve ser pequeno para atender às restrições experimentais existentes. No entanto, pode ser detectado nas energias mais altas dos fótons, em particular nos raios gama de energia muito alta.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo ex-aluno da UAB Merce Guerrero e atual estudante de doutorado do IEEC na UAB Anna Campoy-Ordaz decidiu testar essa ideia com observações astrofísicas. A equipa incluiu ainda Robertus Potting, da Universidade do Algarve, e Markus Gaug, docente do Departamento de Física da UAB, também afiliado ao IEEC.
A sua abordagem baseia-se nas vastas distâncias que a luz percorre no universo. Quando fotões de diferentes energias são emitidos simultaneamente a partir de uma fonte distante, mesmo pequenas diferenças nas suas velocidades podem resultar em atrasos mensuráveis no momento em que chegam à Terra.
Restrições mais rígidas à nova física
Usando uma nova técnica estatística, os pesquisadores combinaram medições existentes de raios gama de energia muito alta para examinar vários parâmetros de quebra 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 ser verdadeiras sob condições extremas.
Mais uma vez, as previsões de Einstein se concretizaram. O estudo não revelou violação da invariância de Lorentz. Mesmo assim, os resultados são significativos. A nova análise melhora as restrições anteriores numa ordem de grandeza, restringindo drasticamente onde a nova física pode estar escondida.
A busca está longe de terminar. Observatórios de próxima geração, como o Observatório Cherenkovsky, estão a ser desenvolvidos para detectar raios gama de energia muito elevada com uma sensibilidade muito maior. Esses instrumentos permitirão que os cientistas continuem a testar os fundamentos mais profundos da física e levem as ideias de Einstein ao seu limite.
