El por qué de esa velocidad de la luz y no otra

Referencia: AEON Magazine.co .
“Why is the speed of light the speed of light?”
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La luz viaja a alrededor de unos 300.000 kilómetros por segundo. 

¿Por qué no más rápido? ¿Por qué no más lento? Una nueva teoría nos sitúa más cerca de una respuesta.

Si usted visita el Observatorio de París, en la orilla izquierda del Sena, verá una placa en su pared anunciando que allí fue donde se midió por vez primera la velocidad de la luz, en 1676. Lo curioso es que este resultado se produjo accidentalmente. Ole Rømer,, un danés que trabajaba como asistente del astrónomo italiano Giovanni Domenico Cassini, estaba tratando de aclarar ciertas discrepancias en los eclipses de una de las lunas de Júpiter.  Rømer y Cassini discutían sobre la posibilidad de que la luz tuviese una velocidad finita (en general, se pensaba que se movía instantáneamente). Finalmente, después de algunos cálculos aproximados, Romer llegó a la conclusión de que los rayos de luz debían tardar unos 10 u 11 minutos para cruzar una distancia “igual a la mitad del diámetro de la órbita terrestre."

El mismo Cassini tenía dudas acerca de esa idea. Sostuvo que si la velocidad finita era el problema, y que a ​​la luz realmente le lleva su tiempo moverse, ese mismo retardo debería ser visible en las mediciones de otras lunas de Júpiter,  y no era así. La controversia que siguió sólo llegó a su fin en 1728, cuando el astrónomo Inglés James Bradley encontró una forma alternativa de realizar la medición. Y tal como muchos experimentos posteriores han confirmado, la estimación de que surgió de las observaciones originales de Rømer tenía alrededor de un 25 por ciento de error. Ahora hemos fijado la velocidad de la luz en el vacío exactamente a 299.792,458 kilómetros por segundo.
[Ver en Wikipedia los experimentos de Rømer]

¿Y por qué esta velocidad tan particular y no cualquier otra? O, por decirlo de otra manera, ¿de dónde viene la velocidad de la luz?

La teoría electromagnética dio una primera visión fundamental hace 150 años. El físico escocés, James Clerk Maxwell, demostró que cuando los campos eléctricos y magnéticos cambian en el tiempo, interactúan de manera que producen el viaje de una onda electromagnética. Maxwell calculó la velocidad de la onda con sus ecuaciones y descubrió que era exactamente la velocidad conocida de la luz. Esto sugería fuertemente que la luz era una onda electromagnética, cosa que no tardó en ser confirmada definitivamente.

Un avance más vino en 1905, cuando Albert Einstein demostró que c, la velocidad de la luz en el vacío, es el límite de la velocidad universal. De acuerdo con su teoría especial de la relatividad, nada puede moverse más rápido. Así, gracias a Maxwell y Einstein, sabemos que la velocidad de la luz está relacionada con una serie de otros fenómenos de maneras sorprendentes.

Pero la teoría no explica plenamente lo que determina tal velocidad. ¿Qué puede hacerlo? Según una nueva investigación, el secreto de c se encuentra en la naturaleza del espacio vacío.

** Hasta que llegó la teoría cuántica, el electromagnetismo era la teoría completa de la luz. Sigue siendo tremendamente importante y útil, pero plantea una pregunta. Para calcular la velocidad de la luz en el vacío, Maxwell utilizaba los valores medidos empíricamente por dos constantes que definen las propiedades eléctricas y magnéticas del espacio vacío. Los llamó, respectivamente, Ɛ0 y μ0.

La cuestión es que, en el vacío, no está claro si estos números podrían significar cualquier otra cosa. Después de todo, la electricidad y el magnetismo, en realidad, surgen del comportamiento de las partículas elementales cargadas, como los electrones. Pero si estamos hablando de un espacio vacío, no debería haber ninguna partícula de allí, ¿no?

Aquí es donde entra en la física cuántica. En la versión avanzada llamada teoría cuántica de campos, el vacío no está realmente vacío. Es el 'estado de vacío", o sea, el estado más bajo de energía de un sistema cuántico. Se trata de un ámbito en el que las fluctuaciones cuánticas producen energías evanescentes y partículas elementales.

¿Qué es una fluctuación cuántica? El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que siempre hay alguna indefinición asociada con las medidas físicas. Según la física clásica, podemos saber exactamente la posición y el momento de, por ejemplo, una bola de billar en reposo, y esto es precisamente lo que niega el principio de incertidumbre. Según Heisenberg, no podemos saber con exactitud las dos medidas al mismo tiempo. Es como si la pelota se estremeciera ligeramente en relación con los valores fijos que pensamos que tiene. Estas fluctuaciones son demasiado pequeñas para marcar mucha diferencia en la escala humana; pero en el vacío cuántico, producen pequeñas explosiones de energía o (equivalentemente) de materia, en forma de partículas elementales que aparecen rápidamente dentro y fuera de la existencia.

---- Leuchs está fascinado por la conexión entre el electromagnetismo clásico y fluctuaciones cuánticas.

Estos fenómenos de corta duración podrían parecen que son una forma fantasmal de la realidad. Pero tienen efectos medibles, incluyendo los electromagnéticos. Eso es debido a que estas excitaciones pasajeras del vacío cuántico aparecen como pares de partículas y antipartículas con carga eléctrica igual y opuesta, tal como electrones y positrones. Un campo eléctrico aplicado al vacío distorsiona estos pares y produce una respuesta eléctrica, y el campo magnético afectado crea una respuesta magnética. Este comportamiento nos ofrece una forma de calcular, no sólo para mediciones, de las propiedades electromagnéticas del vacío cuántico se deriva el valor de c.

En 2010, el físico Gerd Leuchs y sus colegas del Instituto Max Planck en Alemania, hicieron precisamente eso. Utilizaron pares virtuales en el vacío cuántico para calcular la constante eléctrica Ɛ0. Su muy simplificado enfoque dio un valor dentro de un factor de 10 del valor correcto utilizado por Maxwell, una señal alentadora. Esto inspiró a Marcel Urbano y colegas, en la Universidad de Paris-Sud, a calcular c desde las propiedades electromagnéticas del vacío cuántico. En 2013, se informó que su enfoque dio el valor numérico correcto.

El resultado fue satisfactorio, pero no es definitivo. Por un lado, Urban y sus colegas, tuvieron que hacer algunas suposiciones sin fundamento. Llevaría un análisis completo y algunos experimentos poder demostrar que c realmente se puede derivar de vacío cuántico. Sin embargo, Leuchs me dice que sigue fascinado por la conexión entre el electromagnetismo clásico y las fluctuaciones cuánticas, y está trabajando en un análisis riguroso bajo la completa teoría cuántica de campos. Al mismo tiempo, Urban y sus colegas sugieren nuevos experimentos para probar la conexión. Por lo tanto, es razonable esperar que c por fin se base en una teoría más fundamental. Y entonces, ¿misterio resuelto?

Bueno, eso depende del punto de vista.

** La velocidad de la luz es, por supuesto, sólo una de varias constantes físicas "fundamentales" o "universales". Se cree que puede aplicarse a todo el universo y que permanece fija en el tiempo. La constante gravitacional G, por ejemplo, define la fuerza de la gravedad en todo el Universo. A pequeña escala, la constante h de Planck establece el tamaño de los efectos cuánticos y la pequeña carga en el electrón e, que es la unidad básica de la electricidad.

Los valores numéricos de estas y otras constantes se conocen con una  insoportable precisión. Por ejemplo, h se mide como 6,626070040 × 10^-6 por ciento. Pero todas estas cantidades plantean una serie de inquietantes preguntas. ¿Son realmente constantes? ¿En qué sentido son "fundamentales"? ¿Por qué tienen esos valores en particular? ¿Qué es de lo que realmente nos hablan de la realidad física que nos rodea?

Que sea dichas «constantes» realmente constantes a lo largo de todo el Universo es una antigua controversia filosófica. Aristóteles creía que la Tierra se constituyó de manera diferente desde los cielos. Copérnico sostenía que nuestra parte local del Universo es igual a cualquier otra parte de él. Hoy en día, la ciencia continúa con una visión copernicana moderna, asumiendo que las leyes de la física son las mismas en todas partes del espacio-tiempo. Pero una hipótesis no es más que eso. Necesita ser probada, especialmente para G y c, para asegurarnos de que no estamos malinterpretando lo que observamos en el universo distante.

Fue el Nobel, Paul Dirac, quien planteó la posibilidad de que G podría variar con el tiempo. En 1937, las consideraciones cosmológicas le llevaron a sugerir que disminuye alrededor de una parte en 10 mil millones por año. ¿Estaba en lo cierto? Probablemente no. Las observaciones de los cuerpos astronómicos bajo la gravedad no muestran esta disminución, y hasta ahora no hay ninguna señal de que G varíe en el espacio. Su valor medido describe con precisión las órbitas planetarias y las trayectorias espaciales de todo el sistema solar y los eventos cósmicos distantes, también. Recientemente, los radioastrónomos confirmaron que G, tal como la conocemos, describe correctamente el comportamiento de un pulsar (el remanente de rotación rápida de una supernova) a 3.750 años luz de distancia. Del mismo modo, no parece haber ninguna evidencia creíble de que c varíe en el espacio o el tiempo.

Por lo tanto, vamos a suponer que estas constantes son realmente constantes. Ahora, ¿son fundamentales? ¿Son algunas más fundamentales que los demás? ¿Qué entendemos por "fundamental" en este contexto? Una forma de abordar este problema sería preguntarnos cuál es el más pequeño conjunto de constantes, de entre los cuales, los demás se pueden derivar. Se han propuesto conjuntos de dos a 10 constantes, pero la opción más útil han sido sólo tres: h, c y G, lo que representa colectivamente la relatividad y la teoría cuántica.

En 1899, Max Planck, quien fundó la física cuántica, examinó las relaciones entre h, c y G y los tres aspectos básicas o dimensiones de la realidad física: espacio, tiempo y masa. Cada cantidad física medida se define por su valor numérico y sus dimensiones. No citamos c simplemente como 300.000, sino como 300.000 kilómetros por segundo, o 186.000 millas por segundo, o 0,984 pies por nanosegundo. Los números y las unidades son muy diferentes, pero las dimensiones son las mismas: Longitud dividida por tiempo. De igual manera, G y h tienen, respectivamente, las dimensiones de (longitud^2) y (masa x longitud^-35 metros, 2,2 x 10^-44 segundos]. Entre sus admirables propiedades, estas unidades de Planck dan una visión de la gravedad cuántica y del Universo primitivo.

---- solamente las constantes no dimensionales son realmente "fundamentales", porque son independientes de cualquier sistema de medición. 

Pero algunas constantes no implican dimensiones en absoluto. Estas son las llamadas constantes adimensionales, números puros, como la relación de la masa del protón con la masa del electrón. Eso es simplemente el número 1836,2 (un tanto peculiar, ya que no sabemos cuán grande es). Según el físico Michael Duff, del Imperial College de Londres, solamente las constantes adimensionales son realmente "fundamentales", porque son independientes de cualquier sistema de medición. Constantes dimensionales, por otro lado, “son construcciones meramente humanas cuyo número y valor difieren de una elección de unidades a la siguiente”.

Tal vez la más intrigante de las constantes adimensionales es la constante α de estructura fina. Se determinó por primera vez en 1916, cuando la teoría cuántica se combinaba con la relatividad, a fin de explicar los detalles o la "estructura fina" del espectro atómico del hidrógeno. En la teoría, α es la velocidad del electrón orbitando alrededor del núcleo de hidrógeno dividido por  c. Tiene el valor de 0,0072973525698, casi exactamente 1/137.

En la actualidad, dentro de la electrodinámica cuántica (la teoría de cómo interactúan la luz y la materia), α define la intensidad de la fuerza electromagnética de un electrón. Esto le da un papel muy importante. Junto con la gravedad y las fuerzas nucleares fuerte y débil, el electromagnetismo define cómo funciona el Universo. Pero nadie ha explicado todavía el valor 1/137, un número sin antecedentes obvios o vínculos significativos. El físico ganador del Premio Nobel, Richard Feynman, escribió que α ha sido «un misterio desde que fue descubierto ... un número mágico que aún no hemos comprendido. Se podría decir que la "mano de Dios" escribió ese número, y "no sabemos cuánto presionó el lápiz al escribirlo". »

** Ya sea que se trate de la "mano de Dios" o de algún proceso físico verdaderamente fundamental lo que ha formado las constantes, es su aparente arbitrariedad la que impulsa a los físicos. ¿Por qué estos números? ¿Podían haber sido distintos?

Una forma de tratar con este inquietante sentido de contingencia es confrontarlo. Este camino nos lleva al principio antrópico, la idea filosófica de que lo que observamos en el Universo debe ser compatible con el hecho de que los seres humanos están aquí para observarlo. Un valor ligeramente diferente para α cambiaría el Universo; por ejemplo, sería imposible para los procesos estelares producir carbono, lo que significa que no existiría nuestra propia vida basada en el carbono. En pocas palabras, la razón por la que vemos los valores que vemos es que, si fueran muy diferentes, no estaríamos aquí para verlos. QED. Tales consideraciones se han utilizado para limitar α entre 1/170 y 1/80, ya que cualquier cosa fuera de ese rango descartaría nuestra propia existencia.

Pero estos argumentos también dejan abierta la posibilidad de que existan otros universos en los que las constantes sean diferentes. Y aunque podría darse el caso de que esos universos sean inhóspitos para observadores inteligentes, valdría la pena imaginar lo que uno podría ver de tener la posibilidad de visitarlos.

Por ejemplo, ¿qué pasaría si  c  fuera más rápido? La luz parece bastante rápida para nosotros, ya que nada es más rápido. Pero aun así tiene demoras significativas en las largas distancias. El espacio es tan vasto que pueden pasar eones antes de que la luz de las estrellas nos alcance. Nuestra naves espaciales son mucho más lentas que la luz, esto significa que nosotros nunca podríamos enviarlas a las estrellas. Visto por su lado positivo, el lapso de tiempo convierte a los telescopios en máquinas del tiempo, dejándonos ver galaxias distantes tal como eran hace millones de años.

--- hay algo realmente intrigante acerca de lo fuertemente construidas que parecen estar las leyes de nuestro propio universo.

Si  c  fuera, digamos, 10 veces más grande, cambiarían un montón de cosas. Las comunicaciones terrestres mejorarían. Recortaríamos el lapso de tiempo de las señales de radio sobre las más grandes distancias del espacio. La NASA podría tener un mejor control de su nave espacial no tripulada y de los exploradores planetarios. Por otro lado, una velocidad más alta estropearía nuestra capacidad para mirar hacia atrás en la historia del Universo.

O imagine una luz lenta, tan lenta que la podríamos ver arrastrarse lentamente desde la lámpara para ir llenando la habitación. Si bien no sería muy útil para la vida cotidiana, la gracia vendría de que nuestros telescopios nos llevarían atrás, hacia el mismo Big Bang. (En cierto sentido, la "luz lenta" se ha logrado ya en laboratorio. En 1999, los investigadores llevaron la luz láser a la velocidad de una bicicleta, y más tarde a un punto muerto, pasando a través de una nube de átomos ultra-fríos.)

Estas posibilidades son entretenidas de pensar, y hasta podrían ser reales en los universos adyacentes. Pero hay algo realmente intrigante acerca de lo fuertemente construidas que parecen estar las leyes de nuestro propio universo. Leuchs señala que la vinculación de  c  con el vacío cuántico mostraría, sorprendentemente, que las fluctuaciones cuánticas están 'sutilmente embebidas' en el electromagnetismo clásico, y eso a pesar de que la teoría electromagnética precedió en su descubrimiento al reino cuántico en 35 años. La vinculación también sería un ejemplo brillante de cómo los efectos cuánticos influyen en todo el Universo.

Y si hay múltiples universos, que se desarrollan de acuerdo a diferentes leyes, usando diferentes constantes, el razonamiento antrópico bien podría bastarnos para explicar por qué observamos las regularidades particulares que encontramos en nuestro propio mundo.

 En cierto sentido, no sería más que la suerte de una lotería. 

Pero no estoy seguro de que esto tuviese mucho éxito para revelar el misterio de cómo son las cosas.

Es de suponer que las diferentes partes de un supuesto multiverso tendrían que estar conectadas entre sí de las maneras específicas que exigen sus propias leyes, y presumiblemente podrían, a su vez, imaginar la posibilidad de las diferentes maneras en que esos universos se relacionan.

 ¿Por qué el multiverso funciona así, y no de otra manera? Tal vez no sea posible inteligir cómo superar el sentido de la arbitrariedad de las cosas. 

Nos acercamos así al viejo enigma filosófico, de por qué hay algo en lugar de nada. 

Eso es un misterio en el que tal vez ninguna luz pueda penetrar.

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