Conferència Solvay

Buscant la teoria física que les unirà a totes

Científics del IFAE han utilitzat un cataclisme còsmic per investigar si la velocitat de la llum és una constant universal o depèn de l’energia dels fotons

L’experiment és unes de les múltiples vies que s’estan provant per unir la teoria física de la quàntica amb la de la relativitat

La Gravitació Quàntica és el sant grial de la física actual. Si s’aconseguís comprendre la gravetat des dels supòsits de la quàntica, es tancaria el gran sisme que ha dividit la física durant bona part del s. XX; unint les teories de la relativitat i de la quàntica en una sola. Teòricament s’han dissenyat diversos experiments per buscar aquest punt d’unió. Un d’ells és comprovar si la velocitat de la llum és una constant universal com postula la relativitat o depèn de l’energia dels fotons com descriu la quàntica. El problema és que actualment no tenim la tecnologia per crear l’energia on aquesta diferència sigui visible. Des del Institut de Física d’Altes Energies de Barcelona (IFAE) s’ha postulat una solució a aquest problema, utilitzar l’energia creada en cataclismes còsmics com a font de mesurament. L’èxit d’aquesta primera prova ens acosta una mica més a la Gravitació Quàntica.

Javier Rico, Investigador de l’Institut de Física d’Altes Energies de Barcelona i coordinador d’Anàlisi i Publicacions de la Col·laboració MAGIC ens explica la càpsula

Història d’una divisió

Conferència Solvay del 27 on es va veure per primer cop el sisme entre la física quàntica i la teoria de la relativitat
La conferència de Física de Solvay del 1927 sobre “Electrons i Fotons” va ser una de les primeres ocasions en què es va constatar la incompatibilitat entre la Relativitat i la Quàntica

Durant segles es creia que l’univers es regia per una sola regla, les lleis de Newton. Quan els avanços tecnològics van començar a mostrar esquerdes a la teoria clàssica, els científics van crear dues noves teories que explicaven els fenòmens observats. La teoria de la Relativitat formulada per Einstein descriu com interactuen les grans masses a grans distàncies, mentre que la teoria Quàntica ideada per Plank s’ocupa de les interaccions de les partícules més petites. El problema és que les dues teories tot i funcionar en els seus respectius àmbits tenen supòsits incompatibles. És com si l’univers tingués dos manuals diferents un per al macro i l’altre pel micro.

Des dels anys quaranta els físics han buscat la forma d’unir les dues teories. No només per tenir una física teòricament més definida, però també perquè se sap que hi ha llocs excepcionals, molt a prop del centre d’un forat negre per exemple, on els efectes quàntics han d’influir la gravetat d’una forma significant.

El divulgador científic Quantum Fracture ha fet tot una sèrie sobre aquesta temàtica

Posant a prova la velocitat de la llum

En un dels punts en què les dues teories difereixen és si la velocitat dels fotons en el buit és una constant universal com proposa la relativitat o es modifica segons la seva energia, com manifesten les teories quàntiques. Tanmateix actualment no es disposa de cap tecnologia que pugui crear un fotó amb prou energia perquè la diferència sigui noticiable.

La solució que ha proposat IFAE és buscar fenòmens còsmics naturals que generin suficientment energia . En aquesta ocasió s’han centrat en les anomenades ràfegues de raigs gamma (o GRB). Aquestes, són explosions còsmiques que alliberen en pocs segons tanta energia com el Sol durant tota la seva vida i són causades per la mort d’estrelles massives o per la fusió de dues estrelles de neutrons.

Les GRB generen molts fotons de diversa energia, alguns de gran magnitud. Aquests es generen a la mateixa localització i el mateix temps hi viatgen durant milions d’any abans d’arribar a la Terra. (La detectada l’any 2019 es va produir a 4.500 milions anys llum). Tots aquest factors haurien de permetre que encara que la diferència de la velocitat de llum entre fotons de diferent energia fos mínima durant el viatge s’hauria de fer prou gran per ser detectable.

Simulació artistica de l'experiment GRB190114C, la primera passa per trobar una nova teoria física general

Preparant l’experiment

El principal problema d’aquest experiment és que les emissions de GRB no són predictibles ni temporalment ni direccionalment. Poden passar en qualsevol moment i venir de qualsevol direcció espacial. O sigui que s’ha de tenir actiu un programa de detecció utilitzant satèl·lits combinats amb una reacció rapidíssima dels observatoris per poder tenir resultats significatius.

Per aconseguir fer possible aquest experiment es va utilitzar l’observatori MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) un sistema de dos telescopis dissenyats per detectar raigs gamma de molt alta energia ubicats a La Palma, Espanya. Coordinats amb una xarxa de satèl·lits amb detectors de GRB

GRB190114C, la primera observació

El 14 de gener de 2019 els satèl·lits van donar l’alerta i just 57 segons després telescopis MAGIC apuntaven en la seva direcció. En 20 minuts de l’esdeveniment que va rebre el nom GRB190114C ( per la seva data) es van mesurar 877 raigs gamma.

Els resultats no observen cap diferència en la velocitat de fotons, això no vol dir que el dubte estigui resolt . El primer fotó d’alta energia es va observar 74 segons després de començar la ràfega, per tant si hi havia una diferència entre fotons i aquesta era menor de 74 segons no s’hagués detectat. El que si s’ha pogut establir és un màxim en la diferència.

L’experiment tampoc volia ser el definitiu sinó la primera passa per buscar una eina per resoldre la gran incognita de la física. Ara sabem que és possible detectar i analitzar GRB. Els pròxims passos seran o esperar a detectar un de més poderós que el GRB190114C o millora en el temps de reacció i es capta l’emissor primerenc. (Més potent i més fàcil d’assegurar que els fotons es van emetre el mateix temps). El temps dirà si aquesta és la via per trobar la teoria física general definitiva.

(Fins que noves proves la desacreditin)

MAGIC Collaboration, Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C. Phys. Rev. Lett. 125 (2020) DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.021301

Altres articles sobre física al nostre blog:

Compartir

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *