La constante física alfa (α) se ha descrito como uno de los mayores misterios de la física. Ahora, nuevas mediciones y análisis de espectros de estrellas similares al Sol han producido la prueba astronómica más precisa de alfa y, por tanto, de la posible variabilidad local en la fuerza de la interacción electromagnética con partículas cargadas.
¿Qué Tan Constantes son las Constantes Físicas de la Naturaleza?
Aunque las fuerzas y constantes físicas de la Naturaleza se han medido y caracterizado con un nivel de precisión asombroso, aún quedan grandes interrogantes: ¿qué aspectos fundamentales del universo dan lugar a las leyes de la Naturaleza? ¿Están las leyes establecidas desde el principio por alguna relación o mecanismo intrínseco e indeleble aún no identificado, que produce los parámetros físicos aparentemente afinados que dan lugar a la materia organizada y a la vida? ¿Son inmutables en el tiempo y en el espacio, o varían en el espacio o en el tiempo de tal manera que nuestra parcela local del universo está especialmente adaptada a nuestra propia existencia? Las leyes de la Naturaleza se caracterizan por los valores numéricos de las constantes fundamentales. Por ejemplo, la constante de estructura fina, α (pronunciada alfa), determina la intensidad de la fuerza electromagnética. La intensidad de esta fuerza define con precisión cómo interactúa el electrón a través de la fuerza electromagnética y su comportamiento dentro y fuera del átomo, por lo que constituye una base fundamental para el comportamiento y las propiedades de la materia. Sin embargo, el Modelo Estándar de la física de partículas no ofrece ninguna explicación para su valor, que podría variar de un lugar a otro.
La búsqueda para determinar si la fuerza de la interacción electromagnética es constante en el espacio y el tiempo ha recibido el impulso de la sugerencia de que podría haber dimensiones adicionales del espacio -las mediciones de las variaciones en alfa podrían descartar estos modelos hiperdimensionales- o que las constantes están parcial o totalmente determinadas por la ruptura de simetría a energías ultraaltas en el universo muy temprano. Las primeras propuestas de variación temporal de α de Stanyukovich [1], Teller [2] y Gamow [3] estuvieron motivadas por las coincidencias de números grandes observadas por Dirac [4, 5], pero posteriormente fueron descartadas por las observaciones [6]. Sin embargo, la cuestión de la variabilidad potencial de esta constante física fundamental sigue pendiente y se necesitan más experimentos y desarrollos teóricos para comprender esta propiedad intrínseca del universo que ha sido calificada como uno de los mayores misterios de la física (observación atribuida al célebre físico Richard Feynman).
Medición de la Luz de las Estrellas
Para determinar la posible variabilidad de la constante de estructura fina, los científicos están interesados en realizar mediciones más allá del laboratorio, para ver, por ejemplo, si hay variación en la fuerza de la interacción electromagnética en distintos lugares del universo separados por grandes distancias (lo que se denomina variación espacial). Con este fin, un equipo de astrofísicos ha llevado la medición de α a una escala astronómica midiendo las longitudes de onda de las líneas de absorción estelares y realizando un análisis sistemático para detectar la cantidad de variación de la constante, si la hay. Utilizando los espectros de 17 estrellas cercanas, con propiedades similares a las del Sol, el equipo de investigadores midió y analizó las líneas de absorción sensibles a α y publicó sus resultados en la revista Science [7]. Dado que los espectros de absorción de la materia dependen de cómo se mueven los electrones en los orbitales de los átomos, lo que viene definido por la constante de estructura fina, cualquier posible variabilidad espacial de α puede determinarse mediante mediciones detalladas de las líneas de absorción de las estrellas.
Al comparar los espectros de absorción de las 17 estrellas cercanas, los astrofísicos pudieron establecer un límite superior de 50 partes por billón en las variaciones de α entre las estrellas. Los resultados descartan cambios sustanciales en α dentro de la región local de la Vía Láctea, llenando un vacío entre las mediciones de laboratorio realizadas un poco más cerca de casa, aquí en la Tierra, y estudios anteriores que han medido líneas de absorción en algunas de las regiones (y épocas) más distantes del universo utilizando espectros de cuásares a miles de millones de años luz con luz emitida hace casi 13.000 millones de años.
Indicios Anteriores de la Variabilidad Espaciotemporal de Alfa
Curiosamente, aunque este estudio más reciente muestra consistencia en la constante de estructura fina dentro de nuestra región local de la galaxia, estudios anteriores que examinaron la fuerza de la interacción electromagnética con partículas cargadas en lugares y épocas más distantes han informado de variaciones espaciales y temporales en α. En 2004, los investigadores analizaron las relaciones isotópicas de los productos de fisión y las reacciones secundarias de absorción de neutrones que se produjeron en la mina de uranio de Oklo, una serie de lugares donde se produjo una reacción de fisión sostenida de forma natural hace 2.000 millones de años [8]. Los investigadores hallaron cambios en las relaciones isotópicas de los productos de la reacción de fisión en el yacimiento que indican un cambio distinto de cero en α a lo largo del tiempo, una variabilidad temporal. Los investigadores concluyeron que, basándose en los datos, es probable que la constante de estructura fina haya cambiado en 45 partes por billón en los últimos 2.000 millones de años.
Posteriormente, en 2010, los investigadores anunciaron la detección de una variación espacial de α en lo que se ha dado en llamar el dipolo australiano. Los investigadores afirmaron haber identificado una estructura similar a un dipolo en la variación de la constante de estructura fina a lo largo del universo observable. Utilizaron datos sobre cuásares obtenidos por el Very Large Telescope, combinados con los datos anteriores obtenidos por Webb en los telescopios Keck. La constante de estructura fina parece haber sido mayor en 1 parte en 100.000 en la dirección de la constelación Ara del hemisferio sur, hace 10.000 millones de años. Del mismo modo, la constante parecía haber sido menor en una fracción similar en la dirección norte, hace 10.000 millones de años. Posteriormente, en 2020, el equipo realizó el mismo tipo de mediciones, esta vez utilizando la luz de uno de los cuásares más distantes conocidos, que empezó a emitir luz cuando el universo tenía sólo 800 millones de años (muy joven desde el punto de vista cosmológico). Los nuevos datos, más sólidos, verifican sus hallazgos anteriores de una estructura dipolar con variación espacial a lo largo de un eje específico del universo en la intensidad de la fuerza electromagnética [9].
Así pues, se está formando una imagen de la variabilidad potencial de la constante de estructura fina. Hasta ahora, todos los análisis han indicado que en regiones y marcos temporales locales la fuerza de la interacción electromagnética es constante, mientras que algunos análisis han indicado que puede variar espacial y temporalmente. Ciertamente, para esto último es necesario realizar más pruebas y análisis críticos para verificar la supuesta variabilidad. Saber si la estructura fina es constante en el espacio y el tiempo tendrá implicaciones significativas para la física y nuestra comprensión del universo. Si se descubre que hay variación en α a lo largo de grandes distancias y épocas, habrá que ajustar los modelos cosmológicos para compensar la tasa de variabilidad. Y desde un punto de vista más especulativo, si la constante de estructura fina varía de forma natural, entonces es posible que exista un mecanismo por el cual se produce esta variabilidad, y si existe un mecanismo, puede ser comprendido y potencialmente diseñado: ¿podríamos entonces aprovechar este mecanismo para generar un cambio en la velocidad de la luz o en la fuerza de la interacción EM con la carga elemental en una región localizada?
En Perspectiva
Algunas de las constantes físicas de la naturaleza más importantes para la física son valores derivados empíricamente, lo que significa que sólo se conocen a partir de mediciones. En el caso de constantes como alfa, no existe ningún modelo que prediga cuál debe ser su valor exacto, es decir, no hay ninguna predicción basada únicamente en un primer principio teórico. Esto demuestra que nuestra comprensión de los fundamentos de la naturaleza es incompleta (en el mejor de los casos) y conduce a retos importantes como el problema del ajuste fino.
Dado que el Modelo Estándar carece de una base teórica que explique las constantes físicas y cuáles deberían ser sus respectivos valores basándose en los primeros principios, sus valores desconciertan en gran medida a los científicos. Dado que las constantes podrían tener cualquier valor, surge la pregunta «¿por qué los valores específicos que medimos? La situación se vuelve problemática cuando se considera que incluso desviaciones relativamente pequeñas en los valores de algunas de las constantes físicas darían lugar a un universo con propiedades muy distintas del nuestro. En la mayoría de los casos, incluso con pequeñas desviaciones -por ejemplo, en la constante de estructura fina- los electrones volarían dentro o fuera de los protones e incluso el átomo más simple no podría formarse. Obviamente, un universo así no sería capaz de formar esa disposición tan preciosa de materia organizada que es el sistema vivo. Por lo tanto, tenemos un «problema» de ajuste: ¿por qué las constantes físicas están aparentemente «ajustadas» a los valores óptimos que permiten la formación de la materia compleja y la vida?
El llamado problema del «ajuste fino» se evapora en cuanto disponemos de una teoría que explica desde los primeros principios las constantes y sus valores precisos. En ese momento, se entiende desde los principios teóricos por qué las constantes físicas tienen los valores precisos que se observan y por qué no se manifiestan con cualquier otro de una gama potencialmente infinita de valores.
Resulta emocionante que ahora dispongamos precisamente de esa teoría de primeros principios, ya que los físicos Nassim Haramein y Olivier Alirol han descubierto un coeficiente de escalado desde la escala de Planck hasta la escala cosmológica (unificación invariante de escala de fuerzas, campos y partículas) que produce un ajuste periódico preciso a la materia organizada y una correlación directa entre las constantes de acoplamiento de las fuerzas y la razón holográfica ɸ (descrita en trabajos anteriores [8, 9, 10]). Con el descubrimiento de su ley de escalamiento existe ahora una interpretación geométrica de la constante de estructura fina y de la relación entre la masa del protón y la del electrón. Se trata de un avance significativo en la comprensión de la más elusiva y desconcertante de las constantes físicas, α. Haramein y Olivier validan su valor exacto de α calculado por primeros principios con una precisión de 10-13 dígitos mediante la predicción del factor ge del electrón, lo que ejemplifica aún más el poder analítico de la comprensión de las constantes físicas de la naturaleza a partir de una base teórica fundamental frente al simple conocimiento de los valores a partir de la derivación experimental.
Con la teoría de unificación de primeros principios de Haramein (El origen de la masa y la naturaleza de la gravedad), ya no tendremos que especular sobre si la constante de estructura fina puede o no variar en el tiempo y/o el espacio, ya que podemos utilizar la comprensión fundamental de la naturaleza de esta constante física para predecir que tendrá una baja varianza a lo largo de distancias espaciales, y entonces experimentos como el realizado por Murphy et al. servirán para verificar la teoría y no sólo para ampliar nuestras mediciones y comprensión empírica de α: estaremos poniendo a prueba nuestra comprensión de la naturaleza en el más fundamental de los niveles. La revolucionaria investigación de Haramein abre el camino a la unificación de todas las partículas, constantes fundamentales y fuerzas en un marco teórico unificado basado en una fractalización del espaciotiempo definida por un principio entrópico relacionado con la relación holográfica superficie-volumen Φ.
Referencias
[1] K. P. Stanyukovich, Possible changes in the gravitational constant. Sov. Phys. Dokl. 7, 1150 (1963). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1963SPhD….7.1150S/abstract
[2] E. Teller, On the change of physical constants. Phys. Rev. 73, 801–802 (1948). https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.73.801
[3] G. Gamow, Electricity, gravity, and cosmology. Phys. Rev. Lett. 19, 759–761 (1967). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.19.759
[4] P. A. M. Dirac, The cosmological constants. Nature 139, 323 (1937). https://www.nature.com/articles/139323a0
[5] J. D. Barrow, F. J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Clarendon Press, 1986). Google Scholar
[6] F. J. Dyson, Time variation of the charge of the proton. Phys. Rev. Lett. 19, 1291–1293 (1967). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.19.1291
[7] M. T. Murphy et al., “A limit on variations in the fine-structure constant from spectra of nearby Sun-like stars,” Science, vol. 378, no. 6620, pp. 634–636, Nov. 2022, doi: 10.1126/science.abi9232
[8] S. K. Lamoreaux and J. R. Torgerson, “Neutron moderation in the Oklo natural reactor and the time variation of α”, Phys. Rev. D, vol. 69, no. 12, p. 121701, Jun. 2004, doi: 10.1103/PhysRevD.69.121701
[9] M. R. Wilczynska et al., “Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago,” Science Advances, vol. 6, no. 17, p. eaay9672, Apr. 2020, doi: 10.1126/sciadv.aay9672
[10] Haramein, N., Quantum Gravity and the Holographic Mass, Quantum, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292, (2012).
[11] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O., The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262, (2019).
[12] Haramein, N & Val Baker, A. K. F., Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach, Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Vol.05 No.02(2019), Article ID:91083, 13 pages, (2019).
