Durante milenios se creyó que la Tierra y el cielo se rigen por leyes diferentes, una visión implícita todavía en nuestra distinción entre física (la descripción del mundo a nuestro alrededor) y astronomía (descripción del resto del Universo). La revolución newtoniana demostró que un amplio rango de fenómenos terrestres y celestes pueden describirse con un conjunto de leyes único e inmutable. La astrofísica moderna ha convertido este tema en una pregunta que se puede responder de manera experimental.  

La actual definición de constante fundamental de la naturaleza es cualquier cantidad cuyo valor no puede ser calculado con una teoría física determinada y sólo puede determinarse experimentalmente. Algunos ejemplos son la constante de estructura fina (un indicador del comportamiento de la interacción electromagnética) y la relación de masa protón-electrón (indicador de la interacción entre fuerzas electrodébiles y fuertes). Si suponemos que las leyes de la naturaleza siempre han sido las mismas en todas partes del Universo, entonces estas constantes fundamentales deben ser realmente constantes. Pero si esta hipótesis no es correcta, entonces las constantes pueden variar según la época y la ubicación de cualquier medida específica.    

El ELT aprovechará y mejorará las búsquedas en curso de posibles desviaciones en las constantes físicas fundamentales a través del tiempo y el espacio. Una detección inequívoca de tales desviaciones demostraría que las leyes de la naturaleza no son universales. Dichas variaciones también podrían tener un profundo impacto en las propiedades físicas del Universo y su capacidad para albergar vida; por ejemplo, si el valor de una constante de estructura fina hubiera sido sólo 4% mayor en el Universo primitivo, la existencia de vida basada en el carbono habría resultado imposible.

¿Son universales las leyes de la naturaleza? 

Las observaciones astronómicas pueden sondear escalas de tiempo mucho más grandes que los experimentos en laboratorios terrestres, por lo cual son mucho más sensibles a posibles variaciones en las constantes fundamentales.  La exploración de espectros de cuásares distantes muy brillantes, por ejemplo, permite sondear la variabilidad en gran parte de la historia del Universo. Sin embargo, estas observaciones son muy difíciles. Implican medir los desplazamientos relativos de la longitud de onda en pares de líneas de absorción, cuyas longitudes de onda tienen diferente sensibilidad a las constantes fundamentales. Las sensibilidades suelen ser sutiles, lo cual significa que la calibración de la longitud de onda debe ser extremadamente precisa.  

El espectrógrafo ultra estable de alta resolución ANDES propuesto para el ELT, esencialmente eliminará la incertidumbre sobre la calibración de longitudes de onda que afectan a las mediciones actuales y mejorará enormemente las restricciones a la estabilidad de las constantes fundamentales. Por lo tanto, los astrónomos podrán utilizar el ELT para confirmar o refutar las afirmaciones de que las constantes fundamentales pueden variar y que podríamos estar viviendo en una ubicación de escala fina del espacio-tiempo donde las constantes son adecuadas para la vida. 

Aparte de observar cuásares a través de nubes de absorción de baja densidad que dejan líneas de absorción en el espectro del cuásar, el ELT también podrá ensayar las constantes fundamentales en entornos astrofísicos muy diferentes, como en la superficie de las enanas blancas. Éstos permitirán pruebas rigurosas en entornos donde la gravedad es extremadamente potente, complementando las pruebas que se realizan al centro de la Vía Láctea.  

La explicación teórica más natural para la variabilidad de las constantes fundamentales se debe a un campo escalar acoplado al campo electromagnético. El bosón de Higgs, descubierto en CERN en 2012, es el primer ejemplo conocido de un campo escalar en la naturaleza, pero se cree que no juega un papel directo en la cosmología. No obstante, otros campos escalares son omnipresentes en los escenarios de la física fundamental. Por ejemplo, la variabilidad de las constantes fundamentales es inevitable en la teoría de cuerdas, debido al tamaño cambiante de las dimensiones ocultas del espacio-tiempo.  Lamentablemente, la teoría de cuerdas no logra predecir con precisión la magnitud de esta variación, por lo cual las pruebas que se realizarán con el ELT resultan urgentes.   

Toda prueba mejorada sobre la estabilidad de las constantes fundamentales (ya sea la detección de una variación o un resultado nulo) arrojará luz adicional sobre las teorías unificadas permitidas de las interacciones fundamentales, sobre la existencia de dimensiones adicionales del espacio-tiempo y sobre los posibles roles de campos escalares a gran escala actuando en el Universo tardío. Uno de estos roles es la fuente de energía oscura causante de la aceleración de la expansión del Universo. 

El descubrimiento que las constantes fundamentales de hecho cambian en el espacio-tiempo, tendría enormes implicaciones. Significaría, por ejemplo, que el principio de equivalencia de Einstein -que establece que es imposible distinguir entre gravedad y aceleración, porque gravedad es una fuerza ficticia debida a la geometría local del espacio-tiempo- no se sostiene. El ELT revelará finalmente la naturaleza de estas constantes, marcando un enorme paso adelante en el ámbito de la cosmología.