Nueva idea sobre la energía oscura
Explican la naturaleza de la energía oscura a través de la no conservación de la energía.
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Comenzaremos diciendo que lo que vamos ahora a relatar es una hipótesis teórica más de las muchas que puede haber sobre energía oscura, así que es mejor no tratar este resultado como una verdad establecida.
Se trata de una hipótesis un tanto especulativa, pues va en contra de un principio muy querido en la Física: el de la conservación de la energía. Sin embargo, ha sido bien recibida dentro de la comunidad científica y publicada en el Physical Review Letter, la revista más prestigiosa de Física. Así, por ejemplo, Lee Smolin (Perimeter Institute for Theoretical Physics) ha dicho que se trata de “una nueva idea fresca” y que es “especulativa, pero en el buen sentido”. Añade que “posiblemente esté equivocada”, pero si resulta cierta sería algo “revolucionario”. Otros como George Ellis (Universidad de Ciudad del Cabo) también apoyan, con reservas, el nuevo estudio.
Si algún físico serio se ve en la necesidad de renunciar al principio de la conservación de la energía es que tiene buenas razones para hacerlo o, al menos, para intentarlo. Y la razón en este caso, otra vez, es la naturaleza de la energía oscura.
Como todos sabemos ya a estas alturas, la mayor parte de la masa-energía del Universo se debe a la energía oscura. Una energía que permea todo el espacio y que funciona como una presión negativa que provoca la aceleración de la expansión del Universo, algo medido gracias a las explosiones de supernovas de tipo Ia..
La explicación más natural al fenómeno es la existencia de una constante cosmológica. Lo malo es que, aunque así sea, el valor de esta constate parece fijado de alguna manera desde el “exterior”. Podríamos pensar que esta constante procede del valor de la energía del vacío que vendría dado por la Teoría Cuántica de Campos. Pero si se realizan las operaciones de esta disciplina con cuidado, nos sale un valor de la energía del vacío que es 120 órdenes de magnitud superior. Es decir, si la cuántica es correcta, sabemos hacer los cálculos y no hay un sumidero o cancelación de ningún tipo, entonces el Universo debería de haber autocolapsado nada más nacer. Si hay una suerte de cancelación entonces es peor, pues se necesita un ajuste muy fino para compensar esos 120 órdenes de magnitud y dejar un infinitésimo como resto. Eso significaría que el Universo es el resultado de un milagro.
La energía oscura, además de explicarse según la idea de la constante cosmológica puede explicarse con otras hipótesis, como la de quintaesencia, que asume que esta energía oscura puede variar en el tiempo e incluso cambiar de signo, por lo que sería posible una contracción futura del Universo.
Ahora Alejandro Perez, Thibaut Josset (ambos de la Universidad Aix en Marsella) y Daniel Sudarsky (Universidad Autónoma de México) proponen que la energía oscura o la “constante cosmológica” es en realidad toda la energía no conservada en la historia del Universo. Por tanto, no se trataría de una constante, ya que su valor variaría a lo largo del tiempo, pues aumentaría cuando el Universo pierde energía y disminuiría cuando la gana.
Esta “constante” parecería que no está cambiando en el Universo actual, pues en esta época la densidad es baja al ser su ritmo de cambio proporcional a la densidad de masa del Universo. Así que, bajo esta idea, la energía cuántica del vacío no contribuiría a la constante cosmológica.
En la Relatividad General (RG), como en la Mecánica newtoniana, se conserva la energía. Eso es expresado como la conservación del tensor energía-momento Tμν. A energías pequeñas las componentes de ese tensor son reducidas y eso implica que el espacio es plano.
Según esta hipótesis, cada violación de la conservación de la energía puede ser muy pequeña, pero su efecto acumulativo a lo largo de la historia del Universo puede dar lugar a lo que llamamos energía oscura.
Una explicación a estas violaciones vendría de una teoría cuántica de la gravedad de la que carecemos. Se cree que los efectos cuánticos de la gravedad tienen que afectar el espacio-tiempo a la escala de Planck y que este tiene que tener cierta textura o estar compuesto de “átomos” de espacio-tiempo. Sería esta granularidad la que, especulando, podría dar lugar a esa violación de la conservación de la energía.
La RG no admite estas violaciones, aunque se podría introducir ad hoc si se desea. Estos investigadores han usado lo que se llama gravedad unimodular para introducir estas violaciones. Entonces limitaron la cantidad de energía perdida por el Universo para que fuese consistente con la homogeneidad e isotropía a gran escala observadas en el Universo (principio cosmológico). Como resultado vieron que las ecuaciones unimodulares generaban un fenómeno que se comportaba como una constante cosmológica, aunque no pudieron calcular el valor exacto de esta constante cosmológica.
Además, desarrollaron un par de modelos fenomenológicos en los que no había conservación de la energía. En uno se describe cómo la materia se propagaría en un espacio-tiempo granular como el que supuestamente describiría una teoría cuántica de la gravedad. El otro consiste en una modificación de la Mecánica Cuántica que tiene en cuenta la desaparición de la superposición de estados a escala macroscópica. Ambos modelos contienen parámetros que son ajustables para hacerlos consistentes con los valores medidos en la realidad (básicamente una cota muy pequeña compatible con una pérdida de energía cero).
Pudieron observar que, entonces, se generaba una constante cosmológica del mismo orden de magnitud que la que medida para la energía oscura.
Así que, aunque cada violación de la conservación de la energía sea muy pequeña debida a esta granularidad del espacio-tiempo, el efecto acumulado a lo largo de la historia del Universo da lugar a la energía oscura y a la aceleración de la expansión.
Una ventaja de esta hipótesis es que predice una conservación efectiva de la energía a escala del Sistema Solar, al tratarse de una región muy pequeña comparada con todo el Universo y ser las pérdidas de energía tan pequeñas. Esto es compatible con las observaciones, pues no se ha detectado ninguna violación de la conservación de la energía en el Sistema Solar.
Los autores especulan aún más para decir que una variación de la constante cosmológica basada en la no conservación de la energía podría apuntar a una ley de conservación aún más abstracta. De la misma manera que el calor (una forma de energía) es almacenado en el movimiento caótico de un gas, la ‘constante’ cosmológica podría ser energía almacenada en la dinámica de los átomos de espacio-tiempo y realmente no se perdería. Por tanto, esa energía podría parecer que realmente se ha perdido sólo si asumimos que el espacio-tiempo es suave y no tiene ninguna textura.
Perez dice que en el futuro quizás sea posible poner a prueba la idea mediante la observación de supernovas de manera muy precisa a lo largo de distintas distancias (momentos en la historia del Universo). Con ello se podría saber si la aceleración de la expansión de debe a una constante que no varía o todo lo contrario, lo que apoyaría esta hipótesis.
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Fuentes y referencias:
Artículo original
Copia del artículo original.
Foto: E. Guido, N. Howes, M. Nicolini.
19 Comentarios
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domingo 22 enero, 2017 @ 2:28 am
No hay ninguna razón para suponer que el espacio-tiempo sea continuo a cualquier escala, y la idea de una textura a la distancia de Plank ha surgido en varias teorías, como la gravedad cuántica de bucles. Ahora aparece también como una posible explicación de la energía oscura. Tal vez un día nos permita comprender mejor los extraños comportamientos de la materia descritos por la Mecánica Cuántica, tan diferentes de los observados a escala macroscópica.
domingo 22 enero, 2017 @ 4:38 pm
Es que no lo es. Si se llama «cuántica» es porque la naturaleza del universo es discreta, no continua. Si el universo fuese continuo, no tedría límites, como en la filosofía hindustana, y seguiría subdividiéndose hasta el infinito (no sé cuál, ya sabe que hay varios), y expandiéndose en la misma forma.
domingo 22 enero, 2017 @ 6:40 pm
¿ Cómo puede ganar y perder energía el Universo, si la energía del Universo es igual a cero, puesto que la energía positiva de la materia es cancelada por la energía negativa gravitatoria?.
Además, ¿no es el Universo un sistema aislado?. En un sistema aislado la energía total permanece constante, lo que significa que no puede haber creación o desaparición de energía, como mucho se podría transformar de una energía en otra.
No sé pero eso de la violación del principio de conservación de la energía, me asusta un poco. Y desde luego de no ser porque este estudio se publicó en «Physics Review Letter» y en cierto modo la apoyan físicos de la talla de Smolin o Ellis, pensaría que esa sugerencia, la no conservación, es una idea descabellada; aunque todo esto, la cita a la revista y a esos físicos, pueda sonar un tanto a «principio de autoridad».
lunes 23 enero, 2017 @ 2:00 am
¿Y el teorema de Noether? ¿Podría ser ésta la auténtica «flecha del tiempo»?
lunes 23 enero, 2017 @ 11:21 am
El teorema de Noether dice que a toda simetría le corresponde una cantidad conservada. Es una de las bases sobre la que se asienta la Teoría Clásica de Campos. Así, por ejemplo, si la energía de un sistema se conserva es de esperar que el sistema sea invariante en traslaciones temporales.
La aplicabilidad de este teorema a esta hipótesis de Sudarsky y colaboradores a todo el Universo bajo el régimen cuántico gravitatorio que se menciona es un tanto prematuro. NI siquiera contamos con una teoría cuántica de la gravedad que pueda dar soporte a toda esta especulación.
martes 24 enero, 2017 @ 7:18 am
Estoy de acuerdo con el 3 de Lluís en sus dos argumentos.
1º: En el equilibrio de energías, la potencial gravitatoria que parte de tender cero a una distancia infinita y conforme se acerca va transformándose en cinética por lo que va disminuyendo, siendo cada vez más negativa, mientras que la cinética crece en el mismo valor que pierde la potencial y es, cada vez, más positiva. Me cabe la duda de cómo evoluciona esa mayor distancia debido a la expansión pero, claro, como lo que se estira es el propio espacio, también la regla que mide se estira con él, por lo que sigue midiendo lo mismo.
2º Si el universo es, por principio, un sistema aislado, no puede perder energía; puede, como dice Lluís, transformar una energía en otra o, diría yo, trasladar concentraciones de esa energía, por ejemplo transformando una inmensa nube de hidrógeno -de miles de millones de años luz cúbicos- muy enrarecido, en un agujero negro, aunque tarde muchísimos millones de años en hacerlo.
El último párrafo del artículo me parece una inmejorable idea.
Saludos.
martes 24 enero, 2017 @ 11:27 am
Veamos si lo he entendido. Proponen que existe cierto mecanismo en las leyes de la física mediante el cual los cuantos o «átomos» de espacio nos «chupan» energía, de manera que dicha energía la transforman en una especie de «cinemática espacial» o más bien «dinámica espacial» Osea como si los átomos de espacio adquirieran movimiento o energía cinética, pero claro, ¿cómo se va a mover el espacio en el propio espacio? lo que sucedería en realidad es que esta energía robada se usaría en crear más espacio, dando lugar por tanto a la expansion cósmica. A escalas cósmicas cada vez habría más átomos chupones y dicha expansión se vería acelerada. A escalas locales no hay tantos chupones y además la gravedad haría de contrapeso, al menos de momento, y no habría pérdidas de energía y no notaríamos por tanto expansión.
No se si es así exáctamente como se lo imaginan los autores pero me parece una idea bastante curiosa. Lo que no termino de hacerma a la idea es eso de un átomo de espacio. Cuando uno se imagina un átomo normalmente le viene a la mente la imagen de bolitas dando vueltas, bolitas sólidas, tangibles, continuas, aunque es una imagen que sabemos que no es cierta, pero uno se imagina cierta «sustancia». Pero el espacio es distinto, lo veo más como un contenedor en lugar de un contenido. De hecho yo siempre me he preguntado si el espacio para ser espacio es necesario que contenga algo o puede estar vacío. Auque claro, el vacío no es que esté demasiado vacío.
Bueno el caso es que de ser cierto esto de la no conservación tendría implicaciones importantes, quizá hubiera que replantear toda la física… o no. Otra cosa que me intiga es que si se puede perder energía, ¿existirá el mecanismo inverso? Ya veréis como se enteren los tipos de los móviles perpetuos…
martes 24 enero, 2017 @ 11:49 am
Amigos Tomás y lluis… Pues me quedo con el
» De la misma manera que el calor (una forma de energía) es almacenado en el movimiento caótico de un gas, la ‘constante’ cosmológica podría ser energía almacenada en la dinámica de los átomos de espacio-tiempo y realmente no se perdería»
Sería Otra transformación de la energía, y resolvería la conservación de energía y los del universo aislado que mencionan .
martes 24 enero, 2017 @ 1:32 pm
Ahora en lo particular, me gusta mucho la idea. me recuerda el cambio de paradigma que debio generarse al notar que la masa se convierte en energía y viceversa.
Su fuese posible lo del artículo ¿podría existir un viceversa?
martes 24 enero, 2017 @ 2:24 pm
Pienso como Javier L y Lluís
Se puede respetar el principio de conservación de la energía, no solo del total del Universo, sino de la total contenida en la propia Energía Oscura.
Pare ello, basta imaginar que, en el principio, antes del Big Bang, Los átomos de Espacio-Tiempo que el articulo propone, estaban en equilibrio inestable, con toda su energía en forma de momento angular, nada de translación. (lineal).
Estos, puede que estuvieran en una región extensa, no tiene que ser un punto, y aunque su energía total es inmensa Idéntica a la que ahora el Universo tiene, es finita en cada uno de los llamados átomos, tanto menor cuanto más número de ellos tengamos. Este detalle nos libra de la Singularidad.
Al romper el equilibrio (ni imagino porque, ni como) empezaría una reacción en cadena. En estos choques, muy bien puede perderse momento angular, a cambio de, iniciar e ir aumentando progresiva, y estadísticamente el momento lineal, en el mismo valor, de los llamados átomos. Esto garantiza la expansión progresiva, y acelerada, o súper acelerada, en el inicio.
A medida que la expansión avanza la conversión de momento angular para lineal, creo que, ESTADISTICAMENTE tiende a disminuir, Digo estadísticamente, porque individualmente habrá casos inversos, (AUMENTE). Tanto por la densidad de choques, como por la disminución progresiva de sus momentos angulares.
Existe según entiendo la posibilidad de llegar a un nuevo equilibrio donde la aceleración de la expansión sea nula. Aun así, la expansión en este momento continuará a su velocidad de crucero. Esto debe suceder cuando el proceso de cambio de momento angular para lineal y el inverso, momento lineal para angular se equilibren.
En algún momento cerca del inicio, parte de esta energía total de movimiento se empleó en formar la materia.
Todo este proceso conserva la energía total del sistema, y considerando después la interferencia de estos choques con los nódulos de materia (con movimiento) en su seno, propician el aparecimiento de la gravedad.
Saludos
martes 24 enero, 2017 @ 7:06 pm
Eduardo:
Los átomos de espacio no pueden tener momento angular. Su parrafada no tiene demasiado sentido.
miércoles 25 enero, 2017 @ 7:18 am
Me parece muy bien la importancia que JavierL otorga al párrafo que copia. Y es definitivo el último, al que yo me he referido, que quizá por no escribirlo y solo remitir a él, puede ser pasado por alto: «… en el futuro quizás sea posible poner a prueba la idea -la que resalta JavierL- mediante la observación de supernovas de manera muy precisa a lo largo de distintas distancias (momentos…)».
miércoles 25 enero, 2017 @ 7:05 pm
Desde luego, un sistema aislado debe conservar, en una forma u otra, todos sus contenidos. De lo contrario, no sería aislado. Por eso, los que crean que el universo es aislado, deben aceptar que el balance debe mantenerse constante, pase lo que pase. Y si en ese sistema hay un incremento de volumen-distancias , la partida volumen aumenta, de manera que alguna otra debe disminuir. Con ese criterio, la expansión del universo debe ser alimentada por y desde otro fenómeno de similar dimensión… aunque si creemos en la expansión debemos creer que hay un reservorio hacia el cual expansionarse, tal vez de vacío puramente neutro, sin actividad ni partículas, pura dimensión. Todo oscuro.
jueves 26 enero, 2017 @ 6:48 am
Pura nada, diría yo, amigo «petrus».
jueves 26 enero, 2017 @ 11:29 am
Lo malo de la nada, amigo Tomás, es que no es un concepto definible si no es como «ausencia de algo» y eso es una nada relativa, solo si se expresa con relación a algo. Si pensamos en la nada absoluta, eso es simplemente una imposibilidad… así que no tengo ni idea de cómo imaginar nuestra pura nada. Y por ende, si la nada absoluta es una imposibilidad, las consecuencias son devastadoras para muchas mentes que la tienen por comodín, porque siempre ha habido algo. Menos mal, ¿no?.
viernes 27 enero, 2017 @ 8:23 am
Puede valer esa definición, equiparable a ausencia de cualquier cosa. Pero pienso que podríamos dejar eso como propiedad y basarnos más en espacio sin partículas ni radiación -es decir, auténticamente vacío- capaz de ser ocupado por materia y/o energía. En este sentido, ha de ser infinito.
Es que el idioma nos hace jugarretas al nombrar «nada» cuando decimos «nada tengo en la mano», o el pensamiento, tan distinto de la «nada» como total ausencia, como vacío absoluto. En este caso, ha de comenzar muy, muy lejos, pues la estrella más distante le lleva enviando su luz desde su nacimiento hace casi tantos años como el Big Bang. Y supongo que ese «espacio nada» no ha de expandirse.
Pienso que es posible trabajarlo en la teoría de conjuntos y creo recordar que así lo hizo Bunge, aunque con un conjunto limitado, me parece.
Sería el conjunto nulo, al que se le pueda otorgar una propiedad (si esto no es falacia), la de poder ser «ocupado» solo en parte por cualquier otro conjunto, de manera que el resto de lo que se ha ocupado siempre será infinito; incluso aunque el ocupante sea también infinito. Una analogía numérica sería el conjunto de los números imaginarios (la nada) y el de los números reales.
Bueno, es un decir… Podemos meditar sobre esto si te apetece.
domingo 29 enero, 2017 @ 12:01 am
Amigo Tomás. La nada absoluta NA a la que me refiero es un concepto abstracto y no algo que admita una representación, pues si admite representación ya es algo dimensionable , e incluso requiere un soporte donde se represente.
No es un conjunto vacío, ,pues eso es al menos un conjunto; no es un vacío perfecto, pues ese vacío es algo que puede definirse con n dimensiones. La nada absoluta NA no es algo real, es y solo puede ser algo conceptual y en cierto modo , como el frío, que solo puede definirse como ausencia de calor, la nada absoluta NA solo puede entenderse como ausencia de su opuesto, el ser. Hay que eliminar todo lo que no sea ella misma y entonces nos aproximaremos a su definición. La nada absoluta NA es lo que se hubiera producido si fuera cierto el tentador postulado de que las cosas no pueden crearse a sí mismas. Creo que si Nietszche hubiera encontrado la NA como concepto, no hubiera formulado su pregunta capital : ¿ por qué hay algo?.
La consecuencia es inmediata: siempre ha existido algo. Algo ha estado y está aquí y ahí desde toda la eternidad, sin un momento inicial, sin principio, evitando la nada .
domingo 29 enero, 2017 @ 8:21 pm
Arriba proclamé que el universo es discreto, no continuo. A ver si no me pierdo como es habitual.
Si el universo fuese continuo, la nada no existiría, puesto que a toda parte cabría aplicarle alguna subdivisión, y la nada implicaría una discontinuidad. Supongo que de aquí sale el horror vacui.
Pero el universo es discreto. Pensando en átomos daltónicos (de Dalton, claro), digamos bolitas, podemos empaquetar la materia de tal forma que siempre habrá huecos, ergo estos huecos estarán vacíos y de ex de, el vacío. Pero sabemos que en realidad la materia, sea lo que sea, es irrelevante, porque el mundo de la materia se expresa en forma de campos electromagnéticos (algo que es aplicable con otros campos a otras escalas), y el campo eléctrico es continuo, es decir, se hace sentir hasta el infinito (eh… y no más allá), por tanto, nos hemos vuelto a cargar el vacío, entendamos el campo como lo queramos entender. Pero si entendemos el campo como un pingpongneo de partículas que entrelazan, estas partículas serán una vez más discretas, y mientras van y vienen quedarán huecos, espaciales, verdad, de vacío. Ahora, sabemos por la MC que la discretitud adopta una especie de continuidad, porque un electrón y su campo no se limitan a existir en el volumen delimitado por un orbital, es decir, tenemos un mejunje donde cosas discretas están en un montón de sitios a la vez -en realidad, en todos los sitios a la vez, alguien debería escribir a la Congregación para la Doctrina de la Fe y sugerir a S.Martín de Porres como patrón de la Mecánica Cuántica-, y en estando en todos los sitios a la vez, de nuevo no hay vacío, porque siempre existe alguna acción de algún fenómeno físico.
A fin de cuentas, la espuma cuántica podría ser la consecuencia del ruído de fondo de todos los entes discretos del universo extendiéndose por todo él. Se non é vero, e ben trovatto.
lunes 30 enero, 2017 @ 8:15 am
Querido amigo «petrus». Ya te digo de las trampas en la que nos mete el idioma. Hablo de «nada» como conjunto vacío y me dices que como es conjunto, deja de ser «nada». Por esa regla de tres tampoco puedo nombrarla y habré de escribirla, como mucho así: «» y quizá sobren las comillas, que también son artificios del idioma.
En realidad, me estoy refiriendo a lo mismos que tú en tu 13. Sí que estamos de acuerdo. Y sí, también creo en que ha de ser con relación a algo… Con ello se evitan muchos problemas. La «NA», no puede ser ni siquiera «».
En resumen, que también puedo estar de acuerdo con tu 17. Lo que pasa es que hay mucho de lo que hablar. ¡Lo muchísimo que se puede escribir sobre ná!