Experimento para Probar un Principio Clave de la Teoría Especial de la Relatividad

¿Tiene el universo un marco de referencia en reposo? Si un experimento pudiera dar una respuesta concluyente a esta pregunta, tendría importantes implicaciones para la relatividad especial, la cosmología y la física de partículas. Ahora, un experimento propuesto basado en una medición precisa de la masa de las partículas pretende hacer precisamente eso.

La ciencia se basa en el lema nullius in verba (no se toma la palabra de nadie), y fiel a este sentimiento, en la ciencia hay continuas pruebas y experimentos para evaluar la validez de las hipótesis y postulados planteados por los teóricos.

El físico Donald Chang, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (China), ha publicado recientemente una propuesta para poner a prueba un postulado planteado por primera vez por Galileo como principio de la relatividad, que afirma: "Es imposible por medios mecánicos decir si nos movemos o permanecemos en reposo".

Este principio fue codificado por Einstein como uno de los principales postulados de la teoría especial de la relatividad, en la que se da a entender que no existe un marco de referencia preferido en el universo: de todos los marcos de referencia potenciales es imposible decir qué marco inercial es estacionario y cuál está en movimiento. Esto se debe en parte a la estipulación de que las leyes de la física son las mismas para todos los marcos de referencia, por lo que no hay experimentos que se puedan realizar para confirmar si el marco de referencia de uno está en movimiento o es estacionario.

Por lo tanto, una forma de probar este postulado es ver si hay algún indicio de que los parámetros físicos se desvían para diferentes marcos inerciales. Y esto es justo lo que ha propuesto Donald Chang: probar si existe o no un marco de reposo en el universo midiendo las masas de dos partículas cargadas que se mueven en direcciones opuestas. La masa de una partícula depende de su velocidad de desplazamiento y, por tanto, la masa de partículas idénticas cambiará con respecto a sus respectivas velocidades. Pero si las partículas se mueven a la misma velocidad, sus masas deberían ser las mismas independientemente de la dirección del movimiento, suponiendo que todos los marcos inerciales sean equivalentes.

Sin embargo, si el laboratorio en el que se realiza el experimento se mueve con respecto a un marco universal de reposo, entonces la velocidad de las dos partículas que se mueven en diferentes direcciones no será la misma - y por lo tanto tendrán diferentes masas medidas. Ya se sabe que esto no es así para los fotones, que se moverán a la misma velocidad independientemente del marco de referencia inercial, pero ¿es también cierto para las partículas cargadas con masa?

La invariabilidad de la velocidad de la luz en el vacío quedó implícita, en parte, en el experimento de Michelson-Morley de finales del siglo XIX, que intentaba medir un marco estacionario del éter luminoso en relación con el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Los resultados también parecían implicar que no existía tal marco de referencia estacionario ni tampoco el éter (aunque esto no tiene en cuenta un éter no estacionario, ya que las pruebas experimentales recientes demuestran que el arrastre del marco del espaciotiempo se produce alrededor de los objetos masivos en movimiento). Es a partir del experimento de Michelson-Morley que Einstein postuló que las leyes que rigen la propagación de la luz son las mismas para todos los marcos inerciales, un ejemplo de la estipulación generalizada de que las leyes de la física son las mismas para todos los marcos de referencia.

Este postulado de la relatividad implica que el vacío de nuestro universo debe estar vacío para que no pueda servir como marco de referencia preferente. Pero esto se contradice con la teoría moderna, ya que muchos modelos cosmológicos predicen que la energía de nuestro universo procede de las fluctuaciones cuánticas del vacío. Y en la física de partículas, las fluctuaciones del vacío son la energía del punto cero del estado básico de todos los sistemas cuánticos.

Como afirma Donald Change: "El vacío tampoco es coherente con las teorías actuales de la física de partículas. Por ejemplo, en la electrodinámica cuántica, se supone que cada modo de oscilación tiene una energía del punto cero. Dicha energía se trata como una parte del sistema del vacío. De hecho, en la teoría cuántica de campos, el vacío siempre se considera el estado básico. Los campos físicos son sólo excitaciones sobre el vacío. ¿Debe este vacío formar un marco de reposo?"

Dentro de la Física Unificada, el vacío no sólo está lleno de energía, y el espacio es cualquier cosa menos vacío, sino que también es dinámico con el giro, la torsión y otros movimientos de la red de energía del vacío. Como tal, no puede servir en sí mismo como marco de referencia preferido, ya que no está en reposo. Esto puede implicar que el experimento para comprobar la existencia de un marco de referencia universal no tenga éxito.

Aunque, si existiera una dirección preferente de movimiento del universo, eso podría dar resultados positivos para el experimento de Chang. La única manera de saberlo con seguridad es realizar la prueba y nullius in verba.