Estudio muestra que las Leyes del Universo no son tan constantes como se pensaba


La constante de estructura fina es una medida del electromagnetismo, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza; las otras tres son la fuerza de gravedad, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. Estas cuatro leyes fundamentales de la naturaleza se unen para producir todo lo que ahora podemos ver y todo lo que no podemos ver. Son omnipresentes; no importa en qué dirección mires, allí están gobernando la materia.

En un documento científico publicado en la revista Science Advances, un equipo de investigadores informa de que cuatro nuevas mediciones de luz emitidas por ULAS J1120 + 0641, un cuásar ubicado a aproximadamente 12,9 mil millones de años luz de la Tierra, reafirman estudios anteriores que han medido pequeñas variaciones en la constante de estructura fina.

Se les llama leyes universales porque aparecieron junto con el alumbramiento del Universo y gobiernan la materia. Nos gusta pensar que, con la tecnología adecuada, viajar al otro extremo del Universo sería el equivalente a ir de paseo por el parque.

Pero, ¿qué pasaría si yo le digo que el Universo no solo no es lo que parece, sino que no es constante en todos sus extremos, qué si existimos como existimos y entendemos el universo como lo entendemos, es porque estamos en una posición específicamente privilegiada del cosmos, es decir; estamos en una región cosmológica donde las leyes de la naturaleza favorecen la evolución química y, por lo tanto, la formación de un planeta fértil para la aparición de la vida?

"La constante de estructura fina es la cantidad que los físicos usan como medida de fortaleza de la fuerza electromagnética", dijo el profesor John Webb, investigador de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney y autor correspondiente del documento científico.

"Es un número adimensional e involucra la velocidad de la luz, algo llamado constante de Planck y la carga de electrones, y es una proporción de todas esas cosas. Y es el número que usan los físicos para medir la fortaleza de la fuerza electromagnética".

La fuerza electromagnética mantiene a los electrones zumbando alrededor de un núcleo en cada átomo del Universo; sin esto, toda la materia se separaría. Hasta hace poco, se creía que era una fuerza inmutable a lo largo del tiempo y del espacio.

Pero en las últimas dos décadas, el profesor Webb y sus colegas de investigación han notado anomalías en la constante de estructura fina, anomalía por la cual la fuerza electromagnética medida en una dirección particular del Universo parece ligeramente diferente.

"Encontramos una insinuación de que el número de la constante de estructura fina es diferente en ciertas regiones del Universo", dijo el profesor Webb.

"No solo en función del tiempo, sino también en dirección al Universo, lo cual es bastante extraño si es correcto, pero eso es lo que encontramos".

El estudio
En el estudio actual, el profesor Webb y los coautores de esta investigación analizaron el cuásar extremadamente distante llamado ULAS J1120 + 0641, lo que les permitió investigar cuando el Universo tenía solo mil millones de años, algo que nunca antes se había hecho.

El equipo realizó cuatro mediciones de la constante fina a lo largo de la línea de visión de este cuásar.

Individualmente, las cuatro mediciones no proporcionaron ninguna respuesta concluyente sobre si hubo o no cambios perceptibles en la fortaleza de la fuerza electromagnética.

Sin embargo, cuando se combinaron con otras mediciones entre nosotros en la Tierra y los quásares distantes, realizadas por otros científicos y sin relación con este estudio, las diferencias en la constante de estructura fina se hicieron evidentes.

"Y parece estar apoyando la idea de que podría haber una direccionalidad en el Universo, lo cual es muy extraño", dijo el profesor Webb.

"Entonces, el Universo puede no ser isotrópico en sus leyes físicas, una que sea la misma, estadísticamente, en todas las direcciones. Pero, de hecho, podría haber alguna dirección o dirección preferida en el Universo donde las leyes de la física cambian, pero no en la dirección perpendicular. En otras palabras, el Universo, en cierto sentido, tiene una estructura dipolar".

"En una dirección particular, podemos mirar 12 mil millones de años luz hacia atrás y medir el electromagnetismo cuando el Universo era muy joven. Al reunir todos los datos, el electromagnetismo parece aumentar gradualmente cuanto más miramos, mientras que hacia la dirección opuesta, disminuye gradualmente".

"En otras direcciones en el cosmos, la constante de estructura fina sigue siendo solo eso: constante".

"Estas nuevas mediciones distantes en el tiempo han llevado a nuestras observaciones más lejos que nunca antes".

En otras palabras, en lo que se pensaba que era una distribución "arbitraria aleatoria" de galaxias, cuásares, agujeros negros, estrellas, nubes de gas y planetas; con la vida floreciendo en al menos un pequeño nicho, el universo de repente parece tener el equivalente de un norte y un sur.

"Si bien aún se desean ver pruebas más rigurosas de las ideas de que el electromagnetismo puede fluctuar en ciertas áreas del Universo para darle una forma de direccionalidad, si estos hallazgos continúan confirmándose, pueden ayudar a explicar por qué nuestro Universo es como es, y por qué hay vida en él", dijo el profesor Webb.

"Durante mucho tiempo, se ha pensado que las leyes de la naturaleza parecen estar perfectamente adaptadas para establecer las condiciones adecuadas para que florezca la vida. La fortaleza de la fuerza electromagnética es una de esas cantidades".

"Si fuera solo un pequeño porcentaje diferente del valor que medimos en la Tierra, la evolución química del Universo sería completamente diferente y la vida podría nunca haber comenzado".

"Plantea una pregunta tentadora: ¿esta situación de 'Ricitos de Oro', donde las cantidades físicas fundamentales como la constante de estructura fina son 'correctas' para favorecer nuestra existencia, se aplica en todo el Universo?"

"Si hay una direccionalidad en el Universo y se demuestra que el electromagnetismo es ligeramente diferente en ciertas regiones del cosmos, los conceptos más fundamentales que sustentan gran parte de la física moderna necesitarán ser revisados".

"Nuestro modelo estándar de la cosmología se basa en un universo isotrópico, uno que es el mismo, estadísticamente, en todas las direcciones".

"Ese modelo estándar en sí se basa en la teoría de la gravedad de Einstein, que asume explícitamente la constancia de las leyes de la naturaleza. Si tales principios fundamentales resultan ser solo buenas aproximaciones, las puertas están abiertas a algunas ideas nuevas y muy interesantes en la física".

"Creemos que este es el primer paso hacia un estudio mucho más amplio que explore muchas direcciones en el Universo, utilizando datos provenientes de nuevos instrumentos en los telescopios más grandes del mundo", dijeron los investigadores.

"Ahora están surgiendo nuevas tecnologías para proporcionar datos de mayor calidad, y los nuevos métodos de análisis de inteligencia artificial ayudarán a automatizar las mediciones y llevarlas a cabo más rápidamente y con mayor precisión".

Crédito de la imagen: M. Kornmesser / ESO.

Referencia del documento científico:
Michael R. Wilczynska et al. 2020. Cuatro mediciones directas de la constante de estructura fina hace 13 mil millones de años. Science Advances, Vol. 6, no. 17, eaay9672; doi: 10.1126 / sciadv.aay9672

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