Desde finales de la década de 1920, los astrónomos han sido conscientes del hecho de que el Universo está en un estado de expansión. Inicialmente predicho por la Teoría de la relatividad general de Einstein, esta realización ha dado paso al informe del modelo cosmológico más ampliamente aceptado: la teoría del Big Bang. Sin embargo, las cosas se volvieron algo confusas durante la década de 1990, cuando las observaciones mejoradas mostraron que la tasa de expansión del Universo se ha acelerado durante miles de millones de años.
Esto llevó a la teoría de la Energía Oscura, una misteriosa fuerza invisible que está impulsando la expansión del cosmos. Al igual que Dark Matter, que explicaba la "masa faltante", se hizo necesario encontrar esta energía evasiva, o al menos proporcionar un marco teórico coherente para ello. Un nuevo estudio de la Universidad de Columbia Británica (UBC) busca hacer precisamente eso al postular que el Universo se está expandiendo debido a las fluctuaciones en el espacio y el tiempo.
El estudio, que fue publicado recientemente en la revista. Revisión Física D - Fue dirigido por Qingdi Wang, estudiante de doctorado del Departamento de Física y Astronomía de la UBC. Bajo la supervisión del profesor William Unruh de UBC (el hombre que propuso el efecto Unruh) y con la ayuda de Zhen Zhu (otro estudiante de doctorado de UBC), proporcionan una nueva versión de Dark Energy.
El equipo comenzó abordando las inconsistencias que surgen de las dos teorías principales que juntas explican todos los fenómenos naturales en el Universo. Estas teorías no son otras que la Relatividad general y la mecánica cuántica, que explican efectivamente cómo se comporta el Universo en las escalas más grandes (es decir, estrellas, galaxias, cúmulos) y las más pequeñas (partículas subatómicas).
Desafortunadamente, estas dos teorías no son consistentes cuando se trata de un pequeño asunto conocido como gravedad, que los científicos aún no pueden explicar en términos de mecánica cuántica. La existencia de Dark Energy y la expansión del Universo son otro punto de desacuerdo. Para empezar, las teorías de los candidatos como la energía del vacío, que es una de las explicaciones más populares para Dark Energy, presentan graves incongruencias.
Según la mecánica cuántica, la energía del vacío tendría una densidad de energía increíblemente grande. Pero si esto es cierto, entonces la Relatividad General predice que esta energía tendría un efecto gravitacional increíblemente fuerte, uno que sería lo suficientemente poderoso como para hacer que el Universo explote en tamaño. Como el Prof. Unruh compartió con Space Magazine por correo electrónico:
“El problema es que cualquier cálculo ingenuo de la energía del vacío da grandes valores. Si se supone que hay algún tipo de corte, no se pueden obtener densidades de energía mucho mayores que la densidad de energía de Planck (o aproximadamente 1095 Joules / meter³), entonces se encuentra que se obtiene una constante de Hubble, la escala de tiempo en la que el Universo duplica su tamaño aproximadamente, del orden de 10-44 segundo. Entonces, el enfoque habitual es decir que de alguna manera algo reduce eso para que uno obtenga la tasa de expansión real de unos 10 mil millones de años. Pero eso "de alguna manera" es bastante misterioso y nadie ha encontrado un mecanismo ni siquiera medio convincente ".
Mientras que otros científicos han tratado de modificar las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica para resolver estas inconsistencias, Wang y sus colegas buscaron un enfoque diferente. Como Wang explicó a Space Magazine por correo electrónico:
“Los estudios previos intentan modificar la mecánica cuántica de alguna manera para hacer que la energía del vacío sea pequeña o tratar de modificar la Relatividad General de alguna manera para adormecer la gravedad de la energía del vacío. Sin embargo, la mecánica cuántica y la relatividad general son las dos teorías más exitosas que explican cómo funciona nuestro universo ... En lugar de tratar de modificar la mecánica cuántica o la relatividad general, creemos que primero debemos entenderlas mejor. Nos tomamos en serio la gran densidad de energía de vacío predicha por la mecánica cuántica y simplemente dejamos que graviten de acuerdo con la Relatividad General sin modificar ninguno de ellos ".
En aras de su estudio, Wang y sus colegas realizaron nuevos conjuntos de cálculos sobre la energía del vacío que tuvieron en cuenta su alta densidad de energía prevista. Luego consideraron la posibilidad de que en las escalas más pequeñas, miles de millones de veces más pequeñas que los electrones, el tejido del espacio-tiempo está sujeto a fluctuaciones salvajes, que oscilan en cada punto entre la expansión y la contracción.
A medida que se balancea hacia adelante y hacia atrás, el resultado de estas oscilaciones es un efecto neto en el que el Universo se expande lentamente, pero a un ritmo acelerado. Después de realizar sus cálculos, notaron que tal explicación era consistente tanto con la existencia de la densidad de energía de vacío cuántica como con la Relatividad General. Además de eso, también es consistente con lo que los científicos han estado observando en nuestro Universo durante casi un siglo. Como lo describió Unruh:
“Nuestros cálculos mostraron que uno podría considerar constantemente [que] el Universo en las escalas más pequeñas en realidad se está expandiendo y contrayendo a una velocidad absurdamente rápida; pero que a gran escala, debido a un promedio sobre esas escalas pequeñas, la física no notaría esa "espuma cuántica". Tiene un pequeño efecto residual al dar una constante cosmológica efectiva (efecto de tipo de energía oscura). En cierto modo, es como olas en el océano que viajan como si el océano fuera perfectamente liso, pero realmente sabemos que existe esta increíble danza de los átomos que forman el agua, y las olas promedian esas fluctuaciones, y actúan como si la superficie era lisa ".
En contraste con las teorías conflictivas de un Universo donde las diversas fuerzas que lo gobiernan no pueden resolverse y deben cancelarse entre sí, Wang y sus colegas presentan una imagen en la que el Universo está constantemente en movimiento. En este escenario, los efectos de la energía del vacío se cancelan automáticamente y también dan lugar a la expansión y aceleración que hemos estado observando todo este tiempo.
Si bien puede ser demasiado pronto para decirlo, esta imagen de un universo que es altamente dinámico (incluso en las escalas más pequeñas) podría revolucionar nuestra comprensión del espacio-tiempo. Por lo menos, estos hallazgos teóricos seguramente estimularán el debate dentro de la comunidad científica, así como los experimentos diseñados para ofrecer evidencia directa. Y esa, como sabemos, es la única forma en que podemos avanzar en nuestra comprensión de esta cosa conocida como el Universo.
