Físicos de Alemania han realizado el experimento de Michelson-Morley más preciso hasta la fecha, confirmando que la velocidad de la luz es la misma en todas las direcciones. El experimento, que implica la rotación de dos cavidades ópticas, es aproximadamente 10 veces más preciso que anteriores experimentos – y cien millones de veces más preciso que las medidas de Michelson y Morley de 1887.
Stephan Schiller, Alexander Nevsky y Christian Eisele (de izquierda a derecha) muestran su experimento. (Cortesía de Stephan Schiller)
Las leyes de la física parecen ser las mismas para todos los procesos que tienen lugar en laboratorios que se mueven a velocidad constante y para cualquier orientación – un concepto fundamental conocido como simetría de Lorentz. Toma su nombre del físico holandés Hendrik Antoon Lorentz, que intentó explicar el resultado nulo del famoso experimento de Albert Michelson y Edward Morley. Entonces, en 1905, Albert Einstein usó la simetría de Lorentz para postular su Teoría de la Relatividad Especial.
La simetría de Lorentz hasta el momento ha solventado las pruebas del tiempo, pero en los últimos años los físicos han comenzado a cuestionarse si es una simetría exacta de la naturaleza. Están motivados principalmente por el desarrollo de las teorías de cuerdas y de gravedad cuántica de bucles, las cuales tratan de hacer compatible la gravedad con la física cuántica y permitir la posibilidad de que la simetría de Lorentz no se sostenga con exactitud.
Para desarrollar éstas y otras teorías, los físicos necesitan saber si, y cuándo, la velocidad de la luz es diferente en distintas direcciones. Michelson y Morley abordaron este problema dividiendo la luz en dos rayos que viajaban en ángulos rectos entre sí, y eran reflejados por espejos y luego recombinados para producir un patrón de interferencia, el cual depende de distintas longitudes en los dos caminos. Un cambio en este patrón cuando se gira el interferómetro sugeriría que la velocidad de la luz es distinta en diferentes direcciones.
Flotando en el aire
En los últimos 120 años los físicos han mejorado el experimento de Michelson-Morley – y su última encarnación puede encontrarse en el laboratorio de Stephan Schiller en la Universidad de Heinrich-Heine en Düsseldorf. El aparato flota en una fina protección de aire sobre una mesa de granito de 1,3 toneladas. Comprende dos cavidades ópticas – esencialmente pares de espejos que reflejan la luz adelante y atrás – cada una de 8,4 cm de longitud y en ángulos rectos entre sí. Debido a que las cavidades son ligeramente distintas en tamaño, tienen frecuencias de resonancia ligeramente diferentes.
En el experimento, un rayo láser se divide en dos, uno por cada cavidad. Las frecuencias de los rayos se ajustan a sus cavidades respectivas usando “moduladores acústico-ópticos”. Los dos rayos – los cuales ahora tienen distintas frecuencias – se recombinan para producir una señal de latencia. Si la velocidad de la luz fuese distinta en diferentes direcciones, afectaría a las frecuencias resonantes de las dos cavidades desfasándolas, lo cual podría ser detectado como un desplazamiento en la frecuencia de latencia cuando gira el aparato.
Schiller y sus colegas Christian Eisele y Alexander Nevsky recopilaron datos conforme rotaban su experimento aproximadamente 175 000 veces a lo largo de 13 meses, necesitando 90 segundos cada rotación. Para investigar si la simetría de Lorentz se ha violado, el equipo analizó su serie temporal de medidas de la frecuencia de latencia en términos de una versión simplificada de la Extensión del Modelo Estándar (SME) – un modelo matemático que describe las violaciones de la simetría de Lorentz en términos de 19 parámetros medibles.
100 millones de veces mejor
El experimento de Schiller es sensible a ocho de estos parámetros y el equipo fue capaz de demostrar que cuatro son cero en aproximadamente 2 partes en 1017; uno es cero en una parte en 1016; y tres son cero en dos partes en 1013. De acuerdo con Schiller, esto representa un factor mejora de más de 10 sobre las medidas anteriores de estos parámetros y un factor de unos 100 millones mejor que el experimento original de Michelson y Morley.
Ben Varcoe de la Universidad de Leeds en el Reino Unido dijo a physicsworld.com que el experimento de Schiller parece ser el experimento de Michelson-Morley más preciso hasta la fecha. También señala que si Schiller y sus colegas fuesen capaces de mejorar la precisión de su experimento en unos pocos órdenes de magnitud, podría hacerse sensible a los efectos de la energía oscura sobre la propagación de la luz.
La idea es que si la Tierra se mueve en una dirección específica a través de energía oscura estacionaria, dicha energía podría detectarse en forma de violación de Lorentz. (Michelson y Morley estaban buscando una violación similar debido al éter luminífero, el cual ahora sabemos que no existe).
Aumento de sensibilidad
De acuerdo con Schiller, debería ser factible aumentar la sensibilidad del experimento en un factor de hasta 1000 en los próximos 10 años introduciendo grandes mejoras en el aparataje.
No obstante, las teorías más recientes de la gravedad cuántica llevan a esperar violaciones de Lorentz a niveles de aproximadamente 10–30 – una precisión que ya se ha logrado en algunas medidas astrofísicas de otros parámetros SME. Cómo alcanzar tales niveles con experimentos de Michelson-Morley “es un tremendo reto para el futuro”, dijo Schiller.
El trabajo se describe en la revista Physical Review Letters.
Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 14 de septiembre de 2009
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Vía Ciencia Kanija
Imagen actualizada por la USNO
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