Em 1887, um experimento marcante transformou nossa compreensão do universo. Os físicos americanos Albert Michelson e Edward Morley tentaram detectar o movimento da Terra através do espaço comparando a rapidez com que a luz viajava em diferentes direções. O experimento não encontrou diferença alguma. Esse resultado inesperado tornou-se um dos desfechos mais influentes da história científica. Ele levou Albert Einstein a propor que a velocidade da luz é constante, uma ideia fundamental na sua teoria da relatividade restrita.
A relatividade restrita baseia-se no princípio de que as leis da física permanecem as mesmas para todos os observadores, independentemente de como estão se movendo em relação uns aos outros. Essa ideia é conhecida como invariância de Lorentz. Com o passar do tempo, a invariância de Lorentz tornou-se uma suposição fundamental na física moderna, especialmente dentro da teoria quântica.
Por que questionar um princípio que funciona tão bem
A teoria quântica evoluiu com a invariância de Lorentz como seu núcleo. Isso 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 que passou por verificações experimentais com precisão extraordinária. Dada essa trajetória, 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. Assim como a relatividade restrita, ela foi confirmada com precisão notável em muitos ambientes, desde campos gravitacionais fracos até condições cósmicas extremas.
O conflito entre a teoria quântica e a gravidade
Apesar de seus sucessos individuais, a teoria quântica e a relatividade geral não se encaixam de forma harmoniosa. A física quântica descreve a realidade usando funções de onda de probabilidade, enquanto a relatividade geral descreve como matéria e energia moldam a geometria do espaço-tempo. Essas duas abordagens lutam para coexistir quando partículas se movem através do espaço-tempo curvado, enquanto também influenciam essa curvatura.
Os esforços para combinar as duas teorias em uma única estrutura conhecida como gravidade quântica frequentemente esbarram no mesmo obstáculo. Muitas soluções propostas exigem pequenas violações da invariância de Lorentz. Essas violações seriam extremamente sutis, mas poderiam oferecer pistas sobre uma 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 precisaria ser diminuto para se adequar aos limites experimentais existentes. No entanto, poderia se tornar detectável nas mais altas energias de fótons, especificamente em raios gama de muito alta energia.
Uma equipe de pesquisa liderada pela ex-aluna da UAB, Mercè Guerrero, e a atual doutoranda do IEEC na UAB, Anna Campoy-Ordaz, se propôs a testar essa ideia utilizando observações astrofísicas. A equipe também incluiu Robertus Potting, da Universidade do Algarve, e Markus Gaug, um lecturer no Departamento de Física da UAB, que também está afiliado ao IEEC.
A abordagem deles se baseia nas vastas distâncias que a luz percorre pelo universo. Se fótons de diferentes energias forem emitidos ao mesmo tempo de uma fonte distante, mesmo pequenas diferenças em suas velocidades poderiam se acumular em atrasos mensuráveis quando chegassem à Terra.
Limites mais rigorosos sobre nova física
Usando uma nova técnica estatística, os pesquisadores combinaram medições existentes de raios gama de muito alta energia para examinar vários parâmetros que violam a invariância de Lorentz e que são favorecidos por teóricos dentro da Extensão do Modelo Padrão (SME). O objetivo era ambicioso. Eles esperavam encontrar evidências de que as suposições de Einstein poderiam falhar em condições extremas.
Mais uma vez, as previsões de Einstein se mostraram firmes. O estudo não detectou nenhuma violação da invariância de Lorentz. No entanto, os resultados são significativos. A nova análise melhora os limites anteriores em uma ordem de magnitude, restringindo de forma aguda onde nova física poderia estar escondida.
A busca está longe de terminar. Observatórios de próxima geração, como o Observatório da Array de Telescópios Cherenkov, estão sendo projetados para detectar raios gama de muito alta energia com uma sensibilidade muito maior. Esses instrumentos permitirão que os cientistas continuem testando os fundamentos mais profundos da física e continuem desafiando as ideias de Einstein aos seus limites.
