Em 1887, uma experiência marcante remodelou 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 viajando em diferentes direções. Seus experimentos não encontraram nenhuma diferença. Este resultado nulo inesperado tornou-se um dos resultados mais influentes na história da ciência. Isso levou Albert Einstein a propor que a velocidade da luz é constante, a ideia fundamental por trás de sua teoria da relatividade especial.
A relatividade especial baseia-se no princípio de que as leis da física são as mesmas para todos os observadores, independentemente do seu movimento relativo. Essa ideia é chamada de 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
O desenvolvimento da teoria quântica centra-se na invariância de Lorentz. 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 criadas, passando por verificações experimentais com extraordinária precisão. Dado este registo, parece estranho questionar a invariância Lorentziana após mais de um século de sucesso.
O ímpeto veio de outra descoberta de Einstein. Sua teoria geral da relatividade explicava a gravidade como a curvatura do próprio espaço-tempo. Tal como a relatividade especial, foi confirmada com precisão extremamente elevada em muitos ambientes, desde campos gravitacionais fracos até condições cósmicas extremas.
O conflito entre a teoria quântica e a gravidade
Apesar dos seus respectivos sucessos, a teoria quântica e a relatividade geral não se encaixam perfeitamente. A física quântica descreve a realidade usando funções de onda probabilísticas, enquanto a relatividade geral descreve como a matéria e a energia moldam a geometria do espaço-tempo. Quando as partículas viajam através do espaço-tempo curvo enquanto afetam a curvatura, as duas abordagens dificilmente coexistem.
Os esforços para combinar as duas teorias em uma única estrutura chamada gravidade quântica muitas vezes enfrentam os mesmos obstáculos. Muitas das soluções propostas requerem pequenas violações da invariância de Lorentz. Estas violações são extremamente sutis, mas podem fornecer pistas para uma nova física além da teoria atual.
Testando Einstein com luz cósmica
Uma previsão compartilhada por vários modelos de gravidade quântica que violam a invariância de Lorentz é que a velocidade da luz pode depender ligeiramente da energia do fóton. Quaisquer desses efeitos teriam que ser pequenos para caber nas limitações experimentais existentes. No entanto, pode ser detectado nas energias de fótons mais altas, particularmente em raios gama de energia extremamente alta.
Uma equipe de pesquisa liderada pela ex-aluna da UAB, Mercè Guerrero, e pela atual estudante de doutorado da UAB IEEC, Anna Campoy-Ordaz, decidiu testar essa ideia usando observações astrofísicas. A equipa inclui ainda Robertus Potting, da Universidade do Algarve, e Markus Gaug, docente do Departamento de Física da UAB, também afiliado ao IEEC.
O seu método baseia-se nas vastas distâncias que a luz viaja através do universo. Se fotões de diferentes energias forem emitidos simultaneamente a partir de fontes distantes, mesmo pequenas diferenças nas suas velocidades podem causar um atraso mensurável quando chegam à Terra.
Limites mais rígidos para a nova física
Os pesquisadores usaram uma nova técnica estatística combinada com medições existentes de raios gama de energia extremamente alta para examinar vários parâmetros de quebra de invariância de Lorentz preferidos pelos teóricos da Extensão do Modelo Padrão (SME). Este objetivo é ambicioso. Eles esperam encontrar provas de que as suposições de Einstein podem não ser verdadeiras em condições extremas.
Mais uma vez, as previsões de Einstein são verdadeiras. O estudo não encontrou nenhuma violação da invariância de Lorentz. Mesmo assim, os resultados foram significativos. A nova análise melhora os limites anteriores numa ordem de grandeza, estreitando drasticamente o âmbito do que a nova física pode esconder.
A busca está longe de terminar. Observatórios de próxima geração, como o Cherenkov Telescope Array Observatory, estão sendo projetados para detectar raios gama de energia extremamente alta com maior sensibilidade. Estes instrumentos permitirão aos cientistas continuar a testar os fundamentos mais profundos da física e levar continuamente as ideias de Einstein aos seus limites.
