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¿Despertando las fluctuaciones del vacío?

Según un estudio las fluctuaciones del vacío y la gravedad podrían interaccionar de tal modo que habría implicaciones astrofísicas observables. Esto limitaría la aplicabilidad de las técnicas de teoría cuántica de campos en espacios curvos.

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La teoría cuántica de campos describe todas las interacciones fundamentales de la Naturaleza excepto la más familiar de todas: la gravedad. La razón es que todavía no se ha formulado una teoría cuántica completa de la gravedad.
En una aproximación a esa teoría, el comportamiento de los campos cuánticos describiendo la materia y sus interacciones no gravitatorias pueden ser estudiadas asumiendo que se propagan sobre un fondo (background) de espacio-tiempo clásico. Estos campos terminarán por afectar a la métrica (lo que nos dice cómo se curva el espacio-tiempo en un lugar dado), pero se creía que el efecto sería pequeño siempre y cuando no estemos lidiando con situaciones extremas, como la que se daría cerca de una singularidad. Se supone que la gravedad no debería sentir los efectos cuánticos, de una manera análoga al elefante que no siente los microbios que pisa.
Ejemplos de este tipo de trabajos se han realizado en el pasado, como los estudios de Hawking sobre la radiación de los agujeros negros, que son resultados que se obtienen usando las técnicas de teoría cuántica de campos en espacios curvos (QFT on CB).
Un artículo de William Lima y Daniel Vanzella, ambos de la Universidad de Sao Paulo, y publicado recientemente en PRL, se enmarca dentro de esta teoría cuántica de campos en espacios curvos. En el trabajo de estos teóricos se muestra que incluso en situaciones no extremas las fluctuaciones cuánticas de estos campos pueden dar lugar a grandes efectos sobre la métrica de fondo.
Consideran un campo escalar libre (un campo sencillo de estudiar) que está acoplado a la curvatura escalar R y que se propaga en una métrica que es plana en el pasado asintótico y estática en su futuro asintótico. Encuentran que bajo condiciones específicas, pero razonables, la métrica de fondo fuerza fluctuaciones de vacío que crecen si límite según el campo se propaga hacia el futuro. Como resultado, la densidad de energía del vacío termina por dominar sobre la densidad de energía clásica. Recordemos que según la Teoría Cuántica de Campos, el vacío contiene fluctuaciones que son el producto de apariciones y aniquilación de pares partícula-antipartícula que viven durante un tiempo permitido por el principio de incertidumbre. Según esto el vacío nunca está totalmente vacío.
Los autores especulan que este efecto podría tener implicaciones inesperadas en el estudio de objetos astrofísicos como estrellas de neutrones o en Cosmología. En un escenario cosmológico estiman que ese futuro asintótico en el que este tipo de efecto empezaría a notarse se daría en unos 10.000 millones de años, pero que para una estrella de neutrones se notaría en sólo 100 microsegundos. Una región cercana a un objeto de este tipo contendrá fluctuaciones densamente empaquetadas que harían que la densidad de energía creciera exponencialmente hasta que fuese mayor que la densidad de energía generada por el propio campo gravitatorio que las ha “amplificado”.
Vanzella y Lima especulan que ese monstruo podría hacer explotar la estrella de neutrones, colapsarla en un agujero negro o ambas cosas a la vez.
Diversos expertos internacionales como David Toms, de University of Newcastle, o Paul Anderson, de Wake Forest University, se muestran sorprendidos e impresionados por este estudio. Sin embargo, no está claro que este efecto tenga un efecto real astrofísico. ¿Hay que esperar ver estrellas de neutrones explotando por ahí? Parece ser que no.
Esta redacción de NeoFronteras preguntó a Eduardo J. Sanchez Villaseñor (del CSIC y la Universidad Carlos II de Madrid) acerca de este resultado. Según este experto en gravitación, “desde el punto de vista físico, los resultados que se derivan de la teoría cuántica de campos en espacios curvos no pueden ser fundamentales, ya que se basan en la elección de un espacio-tiempo background, que permanece como espectador (y que no se cuantiza)”.
Según él, este tipo de resultados sirven para señalar la necesidad de desarrollar una teoría consistente de gravitación cuántica. Menciona que los resultados de Hawking sobre la radiación de los agujeros negros resultan muy importantes porque señalan la aparentemente existencia de una conexión profunda entre las leyes de los agujeros negros en Relatividad General y la Termodinámica. “La única manera de ir un paso más allá en dicho entendimiento consistiría en derivar la citada relación en un esquema cuántico en el que la geometría no fuese background”, añade.
Según Villaseñor, lo que vienen a decir los autores del artículo es que en situaciones cosmológicas, el límite de aplicabilidad de la QFT on CB falla antes de lo que se esperaba, ya que, como mencionan los autores del trabajo en el resumen del artículo, la reacción sobre el espacio-tiempo de fondo termina siendo tan importante que el dominio del vacío tendría que asumir implicaciones astrofísicas y cosmológicas inesperadas (y que serían evidentes a la observación).
“La lección que se puede sacar del artículo es la misma que la que se saca de la radiación de Hawking: una teoría de gravitación cuántica debería de dar respuestas en ese régimen y, en consecuencia, además de proporcionar un entendimiento fundamental de los fenómenos físicos, tendría implicaciones inesperadas en Cosmología y Astrofísica”, añade Villaseñor.

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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Copia artículo original en ArXiv. [3]
Nota en Physics. [4]
Ilustración: Alan Stonebraker.