Cientistas tentaram quebrar a regra da velocidade da luz de Einstein

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 na física moderna, especialmente na teoria quântica.

Por que questionar um princípio que funciona tão bem

A teoria quântica evoluiu 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 exaustivamente testada já criada e passou por verificações experimentais com extraordinária precisão. Dado este historial, pode parecer estranho questionar a invariância de Lorentz após mais de um século de sucesso.

A motivação vem de outra descoberta de Einstein. Sua teoria da relatividade geral explica a gravidade como uma curvatura do próprio espaço-tempo. Tal como a relatividade especial, foi confirmada com notável precisão em muitos ambientes, desde campos gravitacionais fracos até condições cósmicas extremas.

O choque 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. Essas duas abordagens lutam para coexistir quando as partículas se movem através do espaço-tempo curvo, ao mesmo tempo que influenciam essa curvatura.

Os esforços para combinar as duas teorias em uma única estrutura conhecida como gravidade quântica muitas vezes esbarram no mesmo obstáculo. Muitas soluções propostas requerem pequenas violações da invariância de Lorentz. Essas violações seriam extremamente sutis, mas poderiam oferecer pistas sobre a nova física, além das teorias atuais.

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 ligeiramente da energia de um fóton. Qualquer efeito desse tipo teria que ser minúsculo para corresponder aos limites experimentais existentes. No entanto, poderia tornar-se detectável nas energias de fótons mais altas, especificamente em raios gama de energia muito alta.

Uma equipe de pesquisa liderada pela ex-aluna da UAB Mercè Guerrero e atual estudante de doutorado do IEEC na UAB Anna Campoy-Ordaz decidiu testar essa ideia usando 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 viaja através do universo. Se fotões de diferentes energias forem emitidos ao mesmo tempo a partir de uma fonte distante, mesmo diferenças minúsculas nas suas velocidades poderão resultar em atrasos mensuráveis ​​quando chegarem à Terra.

Limites mais nítidos na nova física

Usando uma nova técnica estatística, os pesquisadores combinaram medições existentes de raios gama de energia muito alta para examinar 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 suposições de Einstein poderiam falhar sob condições extremas.

Mais uma vez, as previsões de Einstein mantiveram-se firmes. O estudo não detectou nenhuma violação da invariância de Lorentz. Mesmo assim, os resultados são significativos. A nova análise melhora os limites anteriores em uma ordem de grandeza, estreitando drasticamente onde a nova física poderia estar escondida.

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 muito alta com sensibilidade muito maior. Estes instrumentos permitirão aos cientistas continuar a testar os fundamentos mais profundos da física e a levar as ideias de Einstein aos seus limites.