Físicos descubren una nueva perspectiva para resolver el extraño misterio de la energía oscura
- Podría arrojar luz sobre la interconexión entre la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad, como dos perspectivas sobre el universo y sus elementos
¿Qué hay detrás de la energía oscura y qué la conecta con la constante cosmológica introducida por Albert Einstein? Dos físicos de la Universidad de Luxemburgo señalan el camino para responder a estas preguntas abiertas de la física.
El universo tiene una serie de propiedades extrañas que son difíciles de entender con la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la materia que conocemos, que consiste en partículas elementales y compuestas que forman moléculas y materiales, aparentemente constituye solo una pequeña parte de la energía del universo. La mayor contribución, alrededor de dos tercios, proviene de la «energía oscura», una forma hipotética de energía cuyos antecedentes los físicos aún están desconcertados. Además, el universo no solo se expande constantemente, sino que también lo hace a un ritmo cada vez más rápido.
Ambas características parecen estar conectadas, porque la energía oscura también se considera un motor de expansión acelerada. Además, podría reunir dos poderosas escuelas físicas de pensamiento: la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad desarrollada por Albert Einstein. Pero hay una trampa: los cálculos y las observaciones hasta ahora han estado lejos de coincidir. Ahora, dos investigadores de Luxemburgo han mostrado una nueva forma de resolver este acertijo de 100 años en un artículo publicado por la revista Physical Review Letters.
El rastro de partículas virtuales en el vacío
“El vacío tiene energía. Este es un resultado fundamental de la teoría cuántica de campos”, explica el profesor Alexandre Tkatchenko, profesor de Física Teórica en el Departamento de Física y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Luxemburgo. Esta teoría se desarrolló para unir la mecánica cuántica y la relatividad especial, pero la teoría cuántica de campos parece ser incompatible con la relatividad general. Su característica esencial: a diferencia de la mecánica cuántica, la teoría considera no solo partículas sino también campos libres de materia como objetos cuánticos.
“En este marco, muchos investigadores consideran que la energía oscura es una expresión de la llamada energía del vacío”, dice Tkatchenko: una cantidad física que, en una imagen vívida, es causada por una constante aparición e interacción de pares de partículas y sus antipartículas. – como electrones y positrones – en lo que en realidad es espacio vacío.
Los físicos hablan de este ir y venir de partículas virtuales y sus campos cuánticos como fluctuaciones de vacío o de punto cero. Si bien los pares de partículas se desvanecen rápidamente en la nada nuevamente, su existencia deja una cierta cantidad de energía.
“Esta energía del vacío también tiene un significado en la relatividad general”, señala el científico luxemburgués: “Se manifiesta en la constante cosmológica que Einstein incluyó en sus ecuaciones por razones físicas”.
Un desajuste colosal
A diferencia de la energía del vacío, que solo puede deducirse de las fórmulas de la teoría cuántica de campos, la constante cosmológica puede determinarse directamente mediante experimentos astrofísicos. Las mediciones con el telescopio espacial Hubble y la misión espacial Planck han arrojado valores cercanos y confiables para la cantidad física fundamental. Los cálculos de energía oscura sobre la base de la teoría cuántica de campos, por otro lado, arrojan resultados que corresponden a un valor de la constante cosmológica que es hasta 10120 veces mayor, una discrepancia colosal, aunque en la visión del mundo de los físicos que prevalece hoy en día, ambos valores deben ser iguales. La discrepancia encontrada en cambio se conoce como el «enigma de la constante cosmológica».
“Es, sin duda, una de las mayores inconsistencias de la ciencia moderna”, dice Alexandre Tkatchenko.
Forma no convencional de interpretación.
Junto con su colega de investigación de Luxemburgo, el Dr. Dmitry Fedorov, ahora ha llevado la solución a este rompecabezas, que ha estado abierto durante décadas, un paso más cerca. En un trabajo teórico, cuyos resultados publicaron recientemente en Physical Review Letters, los dos investigadores luxemburgueses proponen una nueva interpretación de la energía oscura. Asume que las fluctuaciones del punto cero conducen a una polarizabilidad del vacío, que puede medirse y calcularse.
“En pares de partículas virtuales con una carga eléctrica opuesta, surge de las fuerzas electrodinámicas que estas partículas ejercen entre sí durante su extremadamente corta existencia”, explica Tkatchenko. Los físicos se refieren a esto como una autointeracción del vacío. “Conduce a una densidad de energía que se puede determinar con la ayuda de un nuevo modelo”, dice el científico luxemburgués.
Junto con su colega de investigación Fedorov, desarrollaron el modelo básico para los átomos hace unos años y lo presentó por primera vez en 2018. El modelo se usó originalmente para describir las propiedades atómicas, en particular la relación entre la polarizabilidad de los átomos y las propiedades de equilibrio de ciertas moléculas y sólidos no enlazados covalentemente . Dado que las características geométricas son bastante fáciles de medir experimentalmente, la polarizabilidad también se puede determinar a través de su fórmula.
“Transferimos este procedimiento a los procesos en el vacío”, explica Fedorov. Con este fin, los dos investigadores observaron el comportamiento de los campos cuánticos, en particular la representación del “ir y venir” de electrones y positrones. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por una geometría de equilibrio que ya se conoce a partir de experimentos. “Lo insertamos en las fórmulas de nuestro modelo y de esta manera finalmente obtuvimos la fuerza de la polarización intrínseca del vacío”, informa Fedorov.
El último paso fue entonces calcular mecánicamente cuánticamente la densidad de energía de la autointeracción entre las fluctuaciones de electrones y positrones. El resultado obtenido de esta manera concuerda bien con los valores medidos para la constante cosmológica. Esto significa: «La energía oscura se remonta a la densidad de energía de la autointeracción de los campos cuánticos», enfatiza Alexandre Tkatchenko.
Valores consistentes y pronósticos verificables
“Nuestro trabajo ofrece así un enfoque elegante y poco convencional para resolver el enigma de la constante cosmológica”, resume el físico. «Además, proporciona una predicción verificable: a saber, que los campos cuánticos como los de los electrones y los positrones poseen una polarización intrínseca pequeña pero siempre presente».
Este hallazgo señala el camino para que futuros experimentos detecten esta polarización también en el laboratorio, dicen los dos investigadores luxemburgueses. “Nuestro objetivo es derivar la constante cosmológica a partir de un riguroso enfoque teórico cuántico”, enfatiza Dmitry Fedorov. “Y nuestro trabajo contiene una receta sobre cómo realizar esto”.
Él ve los nuevos resultados obtenidos junto con Alexandre Tkatchenko como el primer paso hacia una mejor comprensión de la energía oscura y su conexión con la constante cosmológica de Albert Einstein.
Finalmente, Tkatchenko está convencido: “Al final, esto también podría arrojar luz sobre la forma en que la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad se entrelazan como dos formas de ver el universo y sus componentes”.
Referencia: «Densidad de energía de autointeracción de Casimir de los campos electrodinámicos cuánticos» por Alexandre Tkatchenko y Dmitry V. Fedorov, 24 de enero de 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
Fuente: scitechdaily