La velocidad de la luz es constante. Esta afirmación es una de las bases fundamentales de nuestro conocimiento del cosmos y sin embargo, una nueva teoría plantea que podría ser incorrecta, al menos en el pasado del universo…
El problema del horizonte
Imagen del espacio profundo desde el Hubble.
Corría el año 1998 cuando Joao Magueijo, del Imperial College London propuso que la velocidad de la luz podría variar. Era su intento por resolver algo que conocemos como el problema del horizonte. En una versión muy resumida, el problema del horizonte es el siguiente: nuestro universo es inimaginablemente uniforme. Si lo observas de un extremo a otro, verás que la radiación de fondo de microondas, que cubre todo el cosmos, tiene la misma temperatura en todas partes.
Puede que no sea algo demasiado llamativo, hasta que tenemos en cuenta que ambos extremos están separados por 28.000 millones de años-luz de distancia, y que nuestro universo sólo tiene algo menos de 14.000 millones de años. Nada puede viajar más rápido que la luz, así que no es posible que la radiación del calor pudiese haber viajado entre los dos puntos, para igualar los puntos fríos y calientes creados durante el big bang, y dejar el equilibrio térmico que podemos ver en la actualidad.
Es un rompecabezas difícil de explicar. Tanto, que los cosmólogos han recurrido a soluciones que podríamos calificar, como mínimo, de sorprendentes. Por ejemplo, el de la inflación cósmica. Una manera de resolver el problema del horizonte es que el universo se expanda de una manera ultrarrápida durante un tiempo, justo después del big bang, multiplicando su tamaño en un factor de 1050 en tan sólo una pequeña fracción de 10-33 segundos (sí, en 0,000000000000000000000000000000001 segundos).
Si sucedió, la inflación (y de hecho damos por sentado que debió suceder, y lo llamamos el período de inflación), entonces tenemos una explicación para esa uniformidad. Sin embargo, nadie ha logrado explicar qué podría haberla provocado. Así que tenemos una solución que simplemente invoca otra incógnita. Hay otra solución que podría permitirnos explicar ese equilibrio térmico: que la velocidad de la luz variase, pero también nos hace volver a la pregunta de marras: ¿por qué?
Luz y gravedad a diferentes velocidades
Este es un concepto artístico de un protocúmulo de galaxias en las primeras etapas del Universo.
Crédito: ESO/M. Kornmesser
Así que si dejamos la explicación estándar, la de la inflación (en la que no somos capaces de explicar ni por qué se inició ni por qué se detuvo), nos queda esta alternativa. En un estudio que será publicado el 28 de noviembre en la revista Physical Review, Magueijo y Niayesh Afshordi, del Perimeter Institute en Canadá, revisan la idea que ya propusiera el primero en 1998, y lo hacen de una manera que podría ser verificable.
Su sugerencia es muy sencilla. En las primeras etapas del universo, la luz y la gravedad se propagaban a diferentes velocidades. Si los fotones se moviesen más rápido que la gravedad después del big bang, eso les habría permitido alejarse lo suficiente como para que el universo pudiese alcanzar el equilibrio térmico mucho más rápido.
Una predicción verificable
Esta imagen es una representación cronológica (de abajo a arriba, comenzando desde el Big Bang) de la expansión del universo. En la parte superior, la expansión es tal que la curva se vuelve prácticamente llana.
Crédito: Ann Feild (STScI)
Lo realmente interesante de todo esto, es que según el propio Magueijo, su idea hace una predicción muy específica sobre el fondo cósmico de microondas. Esta radiación, que como quizá sepas cubre todo el universo, se creó poco después del big bang y es una especie de registro fósil de las condiciones del universo en aquel momento. En el modelo desarrollado por los dos investigadores, algunos detalles sobre el fondo de microondas reflejan la manera en que la velocidad de la luz y de la gravedad cambian a medida que lo hace la temperatura del universo.
Descubrieron que hay un punto en el que se produce un cambio abrupto, a partir del que las velocidades de la luz y la gravedad tienden rápidamente hacia el infinito. Esto da lugar a un valor llamado índice espectral, que describe la densidad inicial de las ondas en el universo, de 0,96478. Esa cifra puede ser comprobada frente a nuevas mediciones que se hagan en el futuro. De hecho, la última vez que se midió el índice espectral fue en el año 2015, con la ayuda del satélite Planck, y se obtuvo una cifra de 0,968.
Así que ahora hay que ver qué es lo que sucede. Con más datos, es posible que los investigadores vean que todo se debe a un desajuste, y la teoría sea descartada. Si sucediese, quiere decir que descartaremos todas las hipótesis en las que se pueda plantear que la velocidad de la luz varía respecto a la de la gravedad.
El problema de la inflación
Esta imagen muestra la radiación de fondo de microondas. La imagen muestra un rango de temperaturas de sólo ± 200 microKelvin.
Crédito: NASA/WMAP Science Team
Sin embargo, eso no quiere decir que automáticamente la teoría de la inflación sea correcta. Al contrario, por raro que pueda parecer, es muy difícil descartarla porque no hace ninguna predicción específica que podamos medir. Hay un abanico muy amplio de posibles teorías para explicar esa inflación del universo, lo que hace que sea muy difícil verificar la idea más básica. De ahí la importancia de estudiar las alternativas como la de la variación de la velocidad de la luz (porque esas sí las podemos descartar o verificar).
Las implicaciones de todo esto pueden ser profundísimas. Desde hace mucho tiempo, los físicos saben que hay un desajuste entre la forma en que el universo funciona en su escala más pequeña (lo microscópico) y en su escala más grande, y han buscado una teoría de gravedad cuántica que permita unificar ambas. Si las observaciones y la teoría de los investigadores encajan, es muy posible que tengamos el puente para unir ambos extremos, y nos permitiría comprender los primeros momentos del universo.
Sabemos que en algún momento habrá nueva física que comprender, porque es lo que nos dice lo que sabemos sobre el universo. No funciona igual a escala pequeña que a escala grande, y puede que este estudio nos acerque a esa ansiada teoría unificada, incluso si al final se descarta por ser incorrecta…
El estudio es Niayesh Ashfordi y Joao Magueijo, «The critical geometry of a thermal big bang» y puede ser consultado en arXiv.
Referencias: New Scientist, arXiv: 1603.03312
Leído.
Buenas tardes Alex. Primero felicitarte por la claridad de tus explicaciones. Hace años deduje unas ecuaciones en el ámbito de la trigonometría, las cuales guardé en un cajón a la espera de poderles encontrar algún sentido, hace unos meses ojeando las ecuaciones de la relatividad, me di cuenta de que, si sustituía los catetos de los triángulos involucrados en las ecuaciones por, espacios y tiempos ,eran las mismas que las de la relatividad, solo que dejaban a estas como un caso particular. Algo así como las elipses o los rectángulos dejan como casos particulares limite (dentro de su ámbito) a las circunferencias o los cuadrados.
Estas ecuaciones nos dicen que la velocidad de la luz ha de descender para que el vacio pueda emitir energía en forma de un Big Bang, es decir, en un principio la velocidad luz fue mayor y su descenso produce una descarga de energia contenida en el vacio. Lo fabuloso de estas ecuaciones es que, paradójicamente, conservan la constante ,C, tambien en el momento del nacimiento del universo, ¿ Cómo es posible, si acabo de decir que necesariamente ha de variar para producirse el Big Bang…? Las ecuaciones a este respecto hacen una «matización» matemática que, de un solo golpe, zanjaría para siempre el parche de la inflación a favor de la teoría de Joao Magueijo.
Quisiera Alex, si lo tienes a bien, me dijeses cómo puedo ponerme en contacto con Joao y enviarle mi trabajo.
Un abrazo de tu admirador, Diego.
Muy interesante, y explicado de manera excepcional. Gracias