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 [2]
Copia del artículo original. [3]
Foto: E. Guido, N. Howes, M. Nicolini.