Cuando Albert Einstein construyó su Teoría General de la Relatividad decidió recurrir a algo de ingeniería inversa e introducir un término de “presión” en sus ecuaciones. El valor de esta presión fue seleccionado de tal forma que mantuviese la descripción de la relatividad general del universo estable contra la atracción gravitatoria de la materia que llena el universo.
A Einstein nunca le gustó este factor amañado, pero era la única forma de lograr que las ecuaciones de la relatividad general describieran un universo con un tamaño estático.
Más de 10 años después, las observaciones de Edwin Hubble demostraron que el universo, de hecho, no es estático, sino que se expande. Con esto, la necesidad del término de presión desapareció. Einstein debió haberse quedado helado: si sólo hubiese dejado las ecuaciones aisladas sin el factor amañado, podría haber predicho que el universo no era estático. Einstein, desde entonces se refirió a la introducción del término de presión como “su mayor error”.
Si Einstein hubiese vivido hasta finales del siglo XX, ciertamente hubiese cambiado este apelativo. Está claro, nuestro universo se expande, pero desde finales de la década de 1990 sabemos que esta expansión es acelerada. Hoy se expande más rápido que ayer, y mañana se expandirá aún más rápido. Sin el factor amañado de Einstein, se esperaría una expansión decelerada, y se necesita el término de presión para cambiar de una descripción que arroja un universo decelerando a una que ofrezca un universo acelerando.
¿Qué está causando que esta presión empuje el separarse a un índice cada vez mayor? Los cosmólogos se refieren a la “energía oscura” que impregna el espacio como lo que impulsa esta aceleración cósmica. Para explicar la expansión acelerada del universo, esta energía oscura debería contener la gran mayoría de la energía total del universo. Recientes observaciones llevaron a una “densidad de energía oscura” en el universo correspondiente a aproximadamente la energía de Planck (o de forma equivalente: una masa de Planck de aproximadamente 0,00002 gramos) por 1000 km cúbicos. El hecho es que esta diminuta densidad constituye el componente predominante de nuestro universo justo como demuestra la vasta vacuidad del espacio.
Pero, ¿qué es la “energía oscura”? Nadie lo sabe. La explicación más probable es que la energía oscura es de origen mecánico cuántico. De hecho, la mayoría de los físicos probablemente estarían de acuerdo en que la energía oscura procede de fluctuaciones cuánticas, si esto pudiese llevar a predicciones de la magnitud adecuada del efecto de la energía oscura. No obstante, la aproximación de la Teoría de Campo Cuántico Estándar (QFT) lleva a una sobrestimación de la densidad de energía oscura. ¿Cuánto está sobrestimada? Bueno, cualquier afirmación que se pueda hacer sobre este tema tiende a quedarse corta. De hecho, de acuerdo con la teoría de Campo Cuántico Estándar, las fluctuaciones del vacío llevarían a una densidad de energía de una energía de Planck en cada longitud de Planck cúbica. Es decir, una energía de Planck en un cubo con lados de 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 016 m. Un volumen bastante distinto de 1000 km cúbicos.
Esta discrepancia entre la teoría y los valores experimentales para la densidad de la energía oscura se conoce eufemísticamente en la literatura como “el problema de la constante cosmológica”. Algunos buscan los límites del eufemismo y, de forma irónica, se refieren a la discrepancia como el “problema del ajuste fino”. Otros declaran de forma más apropiada que es “la mayor vergüenza de la física teórica”.
¿Dónde nos hemos equivocado? Seguramente se esperaría que un error de proporciones tan gigantescas sea hallase fácilmente. Aún así, más de una década después del descubrimiento de la expansión cósmica acelerada, los expertos aún están desconcertados. Se han propuesto soluciones extravagantes tales como formas exóticas de energía, taquiones, dilatones y quintaesencia cuántica. Ninguna de ellas ha logrado muchos seguidores.
Ahora, no soy cosmólogo y ciertamente no soy un experto en el campo, pero estoy seguro que nadie me culpará por describir otro callejón sin salida en el largo y tortuoso camino del ensayo y error científico hacia el lejano objetivo de comprender nuestro oscuro universo. Por tanto déjame tomarme la libertad de seguir a Einstein y aplicar algo de ingeniería inversa al problema.
Un simple análisis dimensional apunta a una solución. Existen dos escalas de longitud clave en el problema: la escala de Planck ℓ y el diámetro del universo L. El contraste entre las dos es enorme: 61 órdenes de magnitud. ¿No sería una gran sorpresa si estas dos escalas extremas de longitud pudieran combinarse en un volumen del tamaño adecuado para describir la densidad de la energía oscura? Bueno - sorpresa, sorpresa – esto es fácil de conseguir. El valor experimental de la densidad de energía oscura resulta que coincide con una cuanto de Planck por volumen de tamaño L2ℓ. Aunque, como vimos arriba, la teoría de campo cuántico estándar predice una densidad de energía de punto cero de un cuanto de Planck por ℓ3. ¿Podemos cambiar las dos ℓ de la ecuación por L?
Sí, podemos. La clave es darse cuenta de que el volumen ℓ3 entra en la descripción teórica debido a que la QFT estándar supone un grado de libertad por Planck cúbico. Por lo que de acuerdo con la QFT nuestro universo tiene un total de (L/ℓ)3 grados de libertad. Esto, no obstamte, ignora la naturaleza holográfica de nuestro universo que fue propuesta por Gerard ‘t Hooft en 1993. El principio holográfico afirma que la QFT estándar sobreestima en mucho el número de grados de libertad disponibles. Más precisamente, el principio holográfico prohíbe un sistema de tamaño lineal L que tenga más de (L/ℓ)2 grados de libertad. Por lo que, esto por sí mismo ya cambia una ℓ en la ecuación de la densidad de la energía oscura por una L. Pero aún hay más. La QFT asocia una energía de punto cero de una unidad de Planck con cada grado de libertad. En una descripción holográfica este es improbable que sea correcto. Los grados de libertad de la descripción holográfica son no locales, y como resultado, las longitudes de onda corresponden al movimiento de punto cero asociado con la longitud macroscópica L, y no a la longitud microscópica ℓ. Este efecto (encuadrado en la conocida como “conexión UV/IR”) nos da otro intercambio entre ℓ y L en la ecuación de la densidad de energía oscura de tal forma que llegamos a tener todos los efectos holográficos incorporados en energías de Planck ℓ/L en un volumen de tamaño ℓ2L, o equivalente, un cuanto de energía de Planck por volumen de tamaño de L2ℓ. La densidad de energía oscura así derivada resilva ser la mayor densidad que pueden lograrse sin riesgo de tener un gigantesco colapso gravitatorio de todo el universo.
¿Es esta la forma correcta de tratar la expansión de nuestro universo? No lo sé. Lo que sé, es que si lo de arriba es correcto en esencia, las consideraciones holográficas serán un elemento integral de la aún esquiva Teoría de la Gravedad Cuántica. También está claro que el estricto recorte holográfico en el número de grados de libertad y las energías permitidas por grados de libertad serán de inmensa ayuda para regularizar esta Teoría de la Gravedad Cuántica. La historia nos dice que las discrepancias demostradas experimentalmente en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la física nunca duraron más de unas pocas décadas. Por lo que me permito hacer la predicción de que a principios de este siglo seremos testigos de una revolución en nuestro pensamiento sobre el universo en forma de una Teoría de la Gravedad Cuántica completamente consistente. ¡Son tiempos apasionantes!
Autor: Johannes Koelman
Fecha Original: 25 de mayo de 2009
Enlace Original
Vía Ciencia Kanija
Imagen actualizada por la USNO
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