2005, 100 años de la Teoría Especial de la Relatividad
La energía oscura
No solo se está expandiendo, el Universo también se está acelerando.
La aceleración se debe a la energía del vacío, constante cosmológica, o quintaesencia.
Vivimos en un mundo oscuro, solo el 0.5% es visible, 23% es materia oscura.
El 73% del universo es una forma de
energía oscura de naturaleza desconocida.
El universo está en expansión: 100 años de poderosa teoría
Cuando Albert Einstein propuso en 1917 su
Teoría General de la Relatividad (TGR) el entendimiento del universo era
limitado. No se sabía que el universo estaba en expansión. En
1929, Alexander Friedman resolvió las ecuaciones de Einstein y
encontró que sus soluciones implicaban un universo en expansión.
En 1930, Edwin Hubble observó que las galaxias se alejaban unas de otras,
con una velocidad proporcional a su distancia, comprobando que el universo se
expande.
Pero Einstein, al principio, estaba convencido que el universo
debía ser estático. Ese era el concepto que prevalecía a
principios del siglo XX. Sin embargo, esa idea no era consistente con sus
propias ecuaciones. Entonces, agregó un término a las mismas para
obtener una solución estática. Una constante (cosmológica)
fue introducida para que la fuerza gravitacional de repulsión
contrabalanceara a la atracción gravitacional de la materia. Sin embargo,
ese término no es necesario para explicar un universo en
expansión. Después de tales experiencias el maestro
suprimió ese término.
La Teoría de la Relatividad de
Einstein es una teoría que lleva ya 100 años y sigue resistiendo
todas las pruebas. Más aún se siguen produciendo importantes
consecuencias. En muchos aspectos estamos apenas en el principio de
“algo”. El famoso astrofísico hindú, S. Chandrashekar,
una vez dijo que la teoría de Einstein era limitada porque solamente
estaba abriendo las puertas para un mundo nuevo. En efecto, Einstein
construyó una visión nueva del universo, visión que sigue
en desarrollo. La última palabra no está dicha. Apenas hace 7
años, en 1998, empezó una revaloración en la física
del siglo XXI y, la constante cosmológica, ha vuelto a resurgir.
La constante cosmológica
Hoy en día, la constante
cosmológica de Einstein se entiende de otra manera. Las ecuaciones de
campo de Einstein relacionan la curvatura del espacio con la distribución
de materia y energía. Son 2 partes de una misma ecuación. El
término cosmológico fue agregado originalmente al lado izquierdo,
en la parte geométrica de las ecuaciones, sugiriendo que la constante era
una propiedad del espacio. Sin embargo, si el término se escribe del otro
lado, en la parte de materia, tiene otro significado. La constante, ahora,
representa una nueva forma de energía que permanece constante mientras el
universo se expande y cuya gravedad es repulsiva en vez de ser
atractiva.
La constante surge de las recientes observaciones de un
universo en aceleración y de los principios de la mecánica
cuántica. Es decir, la nueva forma de energía solo puede ser
posible en un espacio vacío.
Cuando se habla del espacio
vacío se dice comúnmente que es la “nada”. Sin
embargo, a nivel del mundo subatómico quántico, a escala muy
pequeña, el espacio vació no está realmente vacío.
En tal escala, las partículas y antipartículas surgen del
vacío (se aparecen), recorren cortas distancias y desaparecen en un
tiempo tan corto que no se pueden observar directamente. Esto es una
consecuencia del Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Sin embargo, en ese
nivel, los efectos cuánticos pueden ser muy importantes y se pueden
observar (y medir) indirectamente.
Entonces, si las partículas
virtuales del espacio vacío existen, y tienen movimiento, podrían
tener una energía que no es cero. Desde el punto de vista de la
mecánica cuántica, la constante cosmológica no es opcional
sino un término necesario. El problema es que el valor de la
energía del espacio vacío (o constante cosmológica) es
demasiado grande, más de 10100 veces la materia y la
energía de todo el universo observable. Se piensa que, si esa
energía, fue tan alta al principio del universo, éste
podría haber “volado” literalmente.
La energía de la nada
Para la teoría de la relatividad todas las formas de
energía, incluyendo la energía de la nada, actúan como una
fuente de gravedad. La nada cuántica tiene gravedad negativa. Así
como la gravedad de un objeto depende de su masa, la fuerza repulsiva de la nada
depende de cuánto pesa la nada. La nada tiene peso porque el espacio
vacío está permeado por un mar de partículas virtuales.
Las primeras estimaciones de la densidad de energía del
vacío las hizo Yakov B. Zel’dovich en
1960. Como el valor obtenido era absurdamente muy alto, se pensó que algo
podría cancelar a la energía del vacío y, se supuso, que
era más plausible que la densidad del vacío fuera cero, es decir,
la nada cuántica pesaba nada.
Después se avanzó al
medir la velocidad con que el universo parecía desacelerarse. Las
observaciones del alejamiento de las galaxias, hechas por Hubble, explicadas por
la teoría de la relatividad establecían que la ley de Hubble
surgía de la expansión del espacio, misma que podría
detenerse en el tiempo debido a la atracción gravitacional. Muchos
cosmólogos se dedicaron, entonces, a medir la desaceleración del
universo para confirmar las teorías sobre la forma y el destino del
universo.
La aceleración del universo
Hace apenas una década, en los 90s, dos grandes
grupos trataron de medir esa desaceleración y encontraron lo opuesto. El
universo no está en desaceleración, ni va a la contracción,
sino que se está acelerando, se trata de un universo en expansión
y en aceleración.
En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, un
grupo norteamericano y, en el Observatorio Mount Stromlo, un grupo australiano
encabezados por Saul Perlmutter y Brian Schmidt respectivamente, en sendos
importantes proyectos trataron de medir la desaceleración de la
expansión del universo mediante observaciones de explosiones de supernova
utilizadas como candelas standard. En 1998, ambos grupos anunciaron sus
resultados: en los últimos 5 mil millones de años (casi la edad de
la Tierra), la expansión del universo se ha estado acelerando no al
revés. Esta expansión acelerada es debida, aparentemente, a una
aceleración gravitacional repulsiva de “algo”. Ese
“algo” sería una forma de energía cuya naturaleza desconocemos.
El universo es plano
Los tres grandes apoyos de la teoría de la gran
explosión (Big Bang) del universo son: la expansión del universo,
la existencia de una radiación cósmica de fondo de microondas y la
nucleosíntesis (formación) de los elementos químicos
ligeros (hidrógeno, helio y litio).
La radiación de fondo
fue descubierta (accidentalmente) en 1965. En 1995, el satélite COBE
(Cosmic Microwave Background Explorer) descubrió variaciones
(anisotropías) en la radiación cósmica de fondo. En el
año 2000 se hicieron nuevas mediciones y se concluyó que la
geometría del universo es plana. Esto fue confirmado por el
satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) en 2003. Pero un
universo plano requiere de una forma de energía como la energía
del vacío.
El WMAP alcanzó a mirar desde los 400 millones
de años después del Big Bang, antes se miraba desde los 1 mil
millones de años. De acuerdo al WMAP las Primeras Estrellas
empezaron a brillar a los 379 millones de años después del
paradigma.
Los resultados del WMAP indican también que el universo
está formado por un 73% de energía oscura (cuya naturaleza
se desconoce) y 27% de materia. De ésta, el 23% es materia oscura
(cuya naturaleza se desconoce), el 3.5% es materia ordinaria no luminosa y
solamente un 0.5% es materia visible en forma de estrellas y galaxias, gas y
polvo. La densidad cosmológica es de 1.02, es decir, un universo
plano como el predicho por la teoría de la
inflación.
En 1981, Alan Guth propuso una teoría
inflacionaria del universo de la cual existen diversas variantes, incluyendo una
inflación caótica. De acuerdo a la teoría de la
inflación, en los primeros momentos del universo hubo una enorme
expansión que aplanó y suavizó la geometría del
universo. En esos momentos, se produjeron fluctuaciones que hicieron crecer las
estructuras de materia del tamaño atómico al cósmico
produciendo al universo inhomogéneo que ahora vemos.
En 1995,
Lawrence M. Kraus y Michael S. Turner propusieron tomar en cuenta a la
energía del vacío para explicar el paradigma ya que, los datos
observacionales resultaban diferentes a las predicciones teóricas. Por
ejemplo, el universo resultaba más joven que algunas de las estrellas
más viejas que se han observado. En 2003, las observaciones del WMAP,
considerando el término cosmológico, estimaron una edad del
universo de 13 mil 600 millones de años.
La Teoría-M
La Teoría de la relatividad de Einstein ha
perdurado 100 años pero ahora se piensa que está incompleta ya que
no incorpora consistentemente a la mecánica cuántica.
Una
de las propuestas alternativas es la teoría-M, o teoría de cuerdas
cósmicas, cuya idea básica es la supersimetría (SUSY) entre
partículas elementales. En un mundo de este tipo, un electrón
supersimétrico (llamado s-electrón) podría ser tan ligero
como el electrón. En tal supermundo, la nada cuántica
podría pesar nada y el vacío podría tener un valor cero.
Sin embargo, en el mundo real no se conoce que pueda existir un
s-electrón tan ligero como un electrón. Se piensa que la nada
cuántica debe pesar algo. Esto querría decir, que la nada es ALGO,
tal vez mucho.
Por otra parte, la teoría-M ofrece una
explicación a la aceleración del universo postulando 6-7
dimensiones adicionales a las 3 conocidas.
La Quinta-esencia
La palabra viene de la tradición
filosófica de la antigua Grecia y probablemente no sea afortunada si bien
es atractiva. Se decía que el universo estaba hecho de aire, agua, tierra
y fuego. El quinto elemento sería una sustancia efímera que
previene a la Luna y a los planetas de caer en el centro de la esfera celeste
(sic). Ahora, el término se utiliza por algunos cosmólogos para
referirse a un campo cuántico que explique a la energía oscura. La
quintaesencia interactúa con la materia y evoluciona con el tiempo, de
manera que, su valor puede ajustarse al presente.
En la teoría de
la Quintaesencia, propuesta por Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhadt,
el vacío no es la única fuente que genera presión negativa,
otra es la quintaesencia misma que varía en el tiempo y el espacio. La
quintaesencia puede tomar varias formas, la más simple es un campo
cuántico que varía lentamente y es más débil que un
inflatón, el campo que produce la inflación del universo.
En la quintaesencia, la presión negativa no acelera al universo tan
fuertemente como la energía del vacío. Este es un punto medio
entre un universo solo de materia que se desacelera y uno con constante
cosmológica que se desacelera.
Con base en la quintaesencia se ha
pensado en un universo cíclico en el cual la quintaesencia sería
el centro de la secuencia de ciclos de expansión y contracción. En
este esquema el tiempo y el espacio existirían por siempre.
La física de la nada
Todos los intentos para determinar cuanto pesa la nada
indican números muy grandes. Pero si la nada no pesa nada, debe existir
una forma de energía que haga que el universo se expanda y
acelere.
En suma, la aceleración cósmica implica la
existencia de una presión negativa y una gravedad repulsiva. Esa
aceleración puede estar revelando a una nueva forma de energía, la
llamada energía oscura que no es predicha ni por la
mecánica cuántica ni por la teoría de cuerdas.
Un
universo dominado por una energía del vacío positiva se
expandirá por siempre. Un universo dominado por una energía del
vacío negativa colapsará. Si la energía oscura no es
energía del vacío, el futuro es incierto. La densidad de
energía oscura podría, también, variar con el tiempo. Si la
densidad aumenta, la aceleración también y todo, galaxias,
estrellas, planetas, átomos, se alejará más rápido
quedando un universo en soledad. En los próximos 1 mil millones de
años todo estaría más solo cada vez, algunas estructuras
visibles estarían tan lejos que no podríamos mirarlas nunca. Pero
si la densidad baja y se hace negativa el universo podría
colapsar.
La teoría de la relatividad de Einstein
transformó los conceptos de espacio, tiempo, materia y energía.
Esta teoría nos permite un mejor entendimiento del universo pero hay
aún muchas cuestiones que no podemos explicárnoslas. Se necesita
de un mayor desarrollo teórico.
Probablemente, la energía
oscura no existe y el espacio vacío se expande y acelera de manera
natural y, al día de hoy, el espacio vacío no lo está,
simplemente ha disminuido en cien órdenes de magnitud. Kraus y Turner
piensan que la física de la nada podría determinar el destino del
universo. Pudiera ser, también, como Einstein lo pensaba, que hace falta
una teoría que unifique a las fuerzas de la naturaleza, incluyendo a la
gravedad.
¡Fuerzas de la naturaleza, Uníos!
Referencias
Bahen D. 2003, Kosmologie, FTE.
Bahen D. 2004, Cosmological models, FTE.
Krauss M., Turner M.S. 2004, Scientific American 291, 53.
Ostriker J.P., Steinhardt P. 2002, Scientific American 12, 41.
Spergel D.N. et al. 2003, Astrophysical Journal Supplement Series 148, 175.
Turner M.S. 2004, Discover 25, 70.
Turner M.S. 2004, Astronomy, November 2004, www.astronomy.com
Weinberg S. 1989, Reviews of Modern Physics 61, 1.
NOTA:
El FTE de México se congratula de haber celebrado todo el año 2005 al
profesor Albert Einstein en el centenario de la Teoría Especial de la Relatividad.
Profesor Albert Einstein
Comisión de Energia