Los físicos descubren un nuevo enfoque para resolver el extraño misterio de la energía oscura

¿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 física.

El universo tiene una serie de propiedades extrañas que son difíciles de entender con la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la materia que conocemos, formada por 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 “energía oscura” – una forma hipotética de energía sobre la cual los físicos básicos todavía están desconcertados. Además, el universo no solo se expande constantemente, sino que también se expande a un ritmo cada vez más rápido.

Ambas características parecen estar conectadas, porque energía oscura también se considera un motor de expansión acelerada. Además, podría unir dos poderosas escuelas de pensamiento físico: la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad desarrollada por Albert Einstein. Pero hay un problema: los cálculos y las observaciones hasta ahora han estado lejos de coincidir. Ahora, dos investigadores luxemburgueses han mostrado una nueva forma de resolver este rompecabezas de 100 años de antigüedad en un artículo publicado por la revista Cartas de revisión física.

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 sin materia como objetos cuánticos.

“En este marco, muchos investigadores consideran la energía oscura como 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 de sus antipartículas, como electrones y positrones, en lo que en realidad es un espacio vacío.

Fondo cósmico de microondas visto por Planck. Crédito: ESA y la colaboración de Planck

Los físicos hablan de este ir y venir de partículas virtuales y sus campos cuánticos como fluctuaciones en el vacío o punto cero. A medida que los pares de partículas se desvanecen rápidamente en el aire, su existencia deja una cierta cantidad de energía.

“Esta energía del vacío también tiene un significado en la relatividad general”, apunta el científico luxemburgués: “Se manifiesta en la constante cosmológica que Einstein incluyó en sus ecuaciones por razones físicas”.

Una discrepancia 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 a partir de 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 basados ​​en la teoría cuántica de campos, por otro lado, dan resultados que corresponden a un valor de la constante cosmológica de hasta 10¹²⁰ veces más grande: una discrepancia colosal, aunque en la cosmovisión de los físicos que prevalece hoy en día, se supone que ambos valores son iguales. La discrepancia encontrada se conoce como el «rompecabezas de la constante cosmológica».

«Sin duda, es 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 tomado la solución a este rompecabezas, que ha estado sin resolver durante décadas, un importante paso adelante. En un trabajo teórico, cuyos resultados se han publicado recientemente en Cartas de revisión física, los dos investigadores luxemburgueses proponen una nueva interpretación de la energía oscura. Asume que las fluctuaciones de punto cero conducen a una polarizabilidad de 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 autointeracción en el 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 presentaron por primera vez en 2018. El modelo se usó originalmente para describir las propiedades atómicas, especialmente la relación entre la polarizabilidad de los átomos y las propiedades de equilibrio. de algunas 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.

“Hemos transferido este procedimiento a juicios en el vacío”, explica Fedorov. Con este fin, los dos investigadores examinaron el comportamiento de los campos cuánticos, en particular mediante la representación del «ir y venir» de electrones y positrones. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por una geometría de equilibrio ya conocida experimentalmente. “Lo incorporamos a las fórmulas de nuestro modelo y de esta manera finalmente obtuvimos la fuerza de la polarización inherente del vacío”, informa Fedorov.

Por lo tanto, el último paso fue calcular mecánicamente cuánticamente la densidad de energía de la autointeracción entre las fluctuaciones de electrones y positrones. El resultado así obtenido 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, por lo tanto, ofrece un enfoque elegante y poco convencional para resolver el enigma de la constante cosmológica”, resume el físico. «Además, proporciona una predicción comprobable: a saber, que los campos cuánticos como los de los electrones y los positrones poseen una polarización intrínseca pequeña pero siempre presente».

Este descubrimiento 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 de cómo hacerlo».

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: «Eventualmente, esto también podría arrojar luz sobre cómo 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 campos electrodinámicos cuánticos» por Alexandre Tkatchenko y Dmitry V. Fedorov, 24 de enero de 2023, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601