Francis en #rosavientos: ¿Afecta la gravedad a la velocidad de los fotones?

Por Francisco R. Villatoro, el 29 junio, 2014. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Relatividad • Science ✎ 12

Dibujo20140628 supernova 1987a

Ya puedes escuchar el audio de mi sección Eureka en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción, algunas imágenes y algunos enlaces.

Una noticia publicada en algunos medios afirma que la velocidad de la luz puede ser más lenta de lo que se creía. ¿Cómo se ha descubierto este sorprendente resultado? El 23 de febrero de 1987 se observó la explosión de una supernova que fue visible a simple vista en el hemisferio sur. La supernova 1987A estalló muy cerca de la Tierra, a sólo 168.000 años luz, en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia enana cercana a nuestra galaxia. En un intervalo de sólo 13 segundos se observaron 24 antineutrinos (11 en el detector japonés Kamiokande II y el resto en otros detectores) originados por esta supernova. Su luz nos llegó más tarde, unas 4,7 horas más tarde, como predicen los modelos teóricos de supernovas. Sin embargo, 3 horas antes de la observación de estos 24 neutrinos, un detector en el Mont Blanc en el norte de Italia observó 5 neutrinos. Si el origen de estos 5 neutrinos fuera la supernova 1987A, entonces los fotones llegaron unas 3 horas más tarde de lo esperado según los modelos teóricos de supernovas. El físico James Franson de la Universidad de Maryland, en Baltimore, EEUU, ha publicado un artículo en la revista New Journal of Physics en el que explica este retraso de 3 horas porque la velocidad de la luz en el vacío descrita por la teoría de la relatividad de Einstein es más lenta de lo que se pensaba.

El artículo técnico es James D. Franson, «Apparent correction to the speed of light in a gravitational potential,» New J. Phys. 16: 065008, 12 Jun 2014arXiv:1111.6986 [hep-ph]. En español puedes leer a Europa Press, «La velocidad de la luz puede ser más lenta de lo que se creía,» ABC Ciencia, 27 Jun 2014. En inglés te recomiendo leer a KFC, «First Evidence Of A Correction To The Speed of Light,» The Physics arXiv Blog, 23 Jun 2014; y a Graham Templeton, «Einsteinian error: The 25-year-old supernova that could change the speed of light forever,» Extreme Tech, 24 Jun 2014.

Una buena crítica al artículo de Franson en Lubos Motl, «Franson’s «breakthrough» concerning the speed of light,» The Reference Frame 29 Jun 2014.

Dibujo20140628 Neutrino burst 1 - 2 - supernova 1987A - njp494531f6_online

Los artículos que critican las ideas de Einstein suelen recibir bastante eco mediático cuando tienen cierto fundamento científico. ¿En qué se basa el físico Franson para afirmar que la luz se ralentiza a medida que viaja por el espacio vacío? La idea de Franson consiste con combinar la teoría cuántica de la luz, llamada electrodinámica cuántica, y la teoría clásica de la gravedad de Einstein, cuya versión cuántica definitiva todavía desconocemos. Según la teoría cuántica de la luz durante su propagación por el vacío los fotones pueden producir un par electrón-positrón durante un intervalo de tiempo muy corto que luego se recombinan para dar lugar de nuevo al fotón. Según la teoría cuántica de la luz este par partícula-antipartícula virtuales no afecta en nada a la velocidad de los fotones en el vacío. Sin embargo, James Franson propone que la gravedad producida por nuestra galaxia, la Vía Láctea, podría afectar a estas dos partículas de forma diferente y crear un diferencial gravitatorio entre ellas. Este efecto gravitatorio tendría un impacto muy pequeño en la energía del fotón resultado de la recombinación del par, pero suficiente para causar un ligero retraso en el fotón en un viaje de 168.000 años luz. Este retraso podría explicar las 3 horas de retraso de los fotones de la supernova 1987A si los primeros cinco neutrinos observados en el Mont Blanc tuvieron su origen en su explosión.

Dibujo20140628 feynman diagram - photon annihilated to produce virtual state - njp494531f2_online

Una conclusión interesante, pero arriesgada. ¿Se puede concluir del trabajo de Franson que la teoría de la relatividad de Einstein debe ser corregida por que la velocidad de la luz no es constante? Debemos ser muy cautos con el nuevo resultado de Franson pues contradice muchos resultados experimentales previos. Por ejemplo, contradice las observaciones de brotes de rayos gamma de alta energía realizadas por el telescopio espacial Fermi de la NASA. Estas observaciones han restringido cualquier dependencia con la distancia o con la energía en la velocidad de los fotones en el vacío. También contradice las observaciones cosmológicas del fondo cósmico de microondas. La hipótesis de Franson puede ser muy sugerente, pero es muy arriesgada pues un cambio tan enorme en la velocidad de la luz como para retrasar en 3 horas los fotones en una distancia tan corta a nivel cosmológico como 168.000 años luz supondría que todo lo que sabemos sobre el universo a gran escala debe ser falso. Ningún cosmólogo y ningún astrofísico se atrevería a descartar todo lo que sabemos sólo en base a un único trabajo teórico de un físico para explicar un único efecto astrofísico.

Dibujo20140628 feynman diagrams where gravity is quantized - njp494531f3_online

¿Cómo explican los astrofísicos el retraso de 3 horas en la observación de los fotones emitidos por la supernova 1987A? La mayoría de los expertos en supernovas cree que los cinco primeros antineutrinos observados en el Mont Blanc no fueron emitidos por la supernova 1987A. Se cree que por pura casualidad se observaron 3 horas antes de los otros 24 antineutrinos cuyas características dejan bastante claro que fueron emitidos por la supernova 1987A. Se estima que esta coincidencia tiene una probabilidad de 1 en 10.000, que parece poco, pero en física de partículas es mucho (por ejemplo, un descubrimiento requiere una probabilidad de 1 en 3 millones, más o menos). Por tanto, la opinión de las mayoría de los expertos es que el trabajo de James Franson pretende resolver un problema que en realidad no existe. Los fotones llegaron cuando correspondía según los modelos teóricos de las supernovas y se propagaron a la velocidad de la luz en el vacío, sin ningún tipo de retraso.

Dibujo20140628 hubble wfpc2 acs - 1994-2003 - supernova 1987a

Los neutrinos son partículas que se mueven casi a la misma velocidad que los fotones, la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, llegaron antes que los fotones. ¿Por qué llegaron los neutrinos de la supernova antes que sus fotones? En el vacío la diferencia de velocidad entre los neutrinos y los fotones es tan pequeña que no podemos medirla en los experimentos, por ello en la práctica se mueven a la misma velocidad. Sin embargo, cuando atraviesan la materia la velocidad de los neutrinos es mayor que la velocidad de los fotones porque los neutrinos interaccionan muy poco con la materia (un haz de neutrinos puede atravesar un año luz de plomo con una probabilidad del 50%), sin embargo, los fotones interaccionan mucho con la materia. Los neutrinos que se producen en el núcleo del Sol nos llegan en unos ocho minutos, pero los fotones tardan casi un millón de años en atravesar el plasma del Sol y llegar a la superficie. La materia del núcleo de la estrella expulsada en una explosión de la supernova tiene una densidad tan alta que hace que los fotones se retrasen unas horas respecto a los neutrinos.

 



12 Comentarios

  1. Los fotones son atraídos por la gravedad y su trayectoria se curva en consecuencia. Luego tardan más en recorrer la misma distancia, en línea recta. También se sabe que su velocidad en menor al atravesar un cuerpo translúcido, según sea su índice de refracción. La interacción en este caso pertenece al ámbito microscópico, en contraposición con lo macroscópico de la lente gravitacional. ¿El «vacío» está realmente vacío de campos gravitatorios, en términos absolutos?

    1. Yo no estoy muy puesto pero, no se supone que es el espaciotiempo lo que es curvado por la gravedad? de esta forma los fotones no son atraidos (ya que al no poseer masa no se ven afectados por la gravedad) sino que siguen la estructura del espacio y aparentemente giran.

  2. Estimado Víctor:
    Los fotones no son atraídos por la gravedad sino que recorren el camino más corto a través del espacio-tiempo curvado por la masa o la energía, dándonos la sensación de que es »atraído». Por otro lado los fotones no tienen masa y los neutrinos sí, casi con toda seguridad. Tanto los fotones como los neutrinos recorren la misma distancia por la misma geodésica espaciotemporal. La explicación al retraso está muy clara en el artículo, y es la interacción de los fotones con la materia, ya que los neutrinos casi no interaccionan. Al atravesar zonas del espacio con materia de cualquier tipo los fotones reducen su velocidad en ese medio y los neutrinos no.

  3. Francis, deseo formular una pregunta arriesgada, perdona mi desfachatez y torpeza al hacerlo quizá de un modo rudimentario y tosco y me justifico en que la envergadura de tus últimas publicaciones es difícil de competir, al menos en mi caso.
    Sabemos que la relatividad sobre la constante de la velocidad de la luz es un modelo que funciona y bien probado en ya casi un siglo de investigaciones y que por el momento no hay otro alternativo y que según éste no hay otra velocidad dentro del universo, dentro del espacio-tiempo, sino el de dicha constante. Supongamos que la relatividad está bien pero que hay otro modelo de mayor aplicabilidad que aún desconocemos y que las matemáticas de la cuántica nos permiten predecir como fuera la existencia de una hipotética párticula, quizá un tipo de neutrino que viajase a una velocidad no permitida, es decir, a mayor velocidad que la constante para la luz.
    De ser así, y si la relatividad sigue siendo cierta, la propia RE nos predice que:
    Esta hipotética partícula al viajar por encima de la luz emitiría una energía tremenda, que tendríamos que constatar en nuestro universo observable y de momento no sabríamos explicar, y realmente, esto es así, pues tengo entendido que hay fuentes de alta energía que aún desconocemos su origen; quizá esté en error.
    Esta hipotética partícula, también lo predice la RE estaría viajando al pasado. Bien, aquí empiezo a dibujar mi pregunta.
    Una partícula viajando al pasado, responsable de emisiones de alta energía y por otro lado, cómo podría vincularla como candidata a la materia oscura, es decir, cómo podría asimilarle un efecto gravitatorio sobre galaxias y cúmulos de galaxias en su viaje. Realmente la materia oscura no emite ningún tipo de radiación. En fin, apreciado Francisco, disculpe esta seguramente injustificada intromisión.

    1. Galerna dice «Supongamos … una hipotética partícula» de tipo taquión, «¿emitiría una energía tremenda?» No, en caso contrario el universo no existiría. «¿Estaría viajando al pasado?» No, en caso contrario el universo no existiría. «¿Cómo candidata a la materia oscura?» No funciona (sabemos que la materia oscura caliente no predice el universo que observamos). «¿Cómo podría asimilarle un efecto gravitatorio?» No entiendo la pregunta. Todo lo que tiene energía gravita.

      Galerna, no te comas el coco. Lee en la web e infórmate. Todo lo que comentas ha sido estudiado desde principios del siglo XX con todo detalle. Sabemos que los taquiones son partículas inestables (a energía cero se mueven a velocidad infinito) y su existencia implica que nuestro universo no puede existir. Si tu existes, los taquiones no existen.

      Saludos
      Francis

      1. Muchas gracias por todo, Francis. Desde luego, tienes una autoridad en materia y prestigio a prueba de bomba. Me limitaré a leer y tratar de comprender, porque aprecio, en ciencia es fácil que cada cuestión haya sido estudiada desde todos los prismas que a uno se le puedan sugerir; gracias de nuevo.
        Un saludo muy cordial.

  4. Seguro que a muchos físicos teóricos les gustará más la explicación de que la explosión deformó el espacio, y eso hizo que la trayectoria de los fotones… y que eso no afectó del mismo modos a los neutrinos.
    o simplemente que los fotones atravesaron alguna región que no estaba vacia, donde la velocidad es menor que c.

Deja un comentario