ENERGIA OSCURA-2

ENERGIA OSCURA-2

PERO ¿QUÉ ES LA ENERGIA OSCURA?

Una vez comprobado que el Universo se está expandiendo de manera acelerada, hay que preguntarse qué es lo que está provocando esta aceleración. Los científicos han bautizado a la sustancia causante de ello como energía oscura, pero todavía nadie tiene claro cuál es su verdadera naturaleza.

La opción más sencilla es suponer que se trata de una constante cosmológica. Esta posibilidad está de acuerdo con todas las observaciones realizadas hasta la fecha y, además, como ya hemos comentado, el modelo estándar de la Física de partículas predice la existencia de una energía del vacío que se comportaría precisamente como una constante cosmológica en las ecuaciones de Einstein.

Detengámonos aquí un momento. ¿Cómo que una «energía del vacío»? Si en el espacio vacío no hay nada… ¿cómo puede tener energía? La idea tiene que ver con el principio de incertidumbre, una propiedad fundamental de los sistemas cuánticos. Este principio, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg, establece que hay ciertas cantidades complementarias que es imposible medir simultáneamente con total precisión: cuanto mejor conozcamos una, menos sabremos de la otra. En concreto, dos de estas cantidades son la energía y el tiempo, y eso hace que la energía de un sistema presente, inevitablemente, pequeñas fluctuaciones, y esto también es aplicable al vacío. Podemos pensar que en el vacío están apareciendo constantemente, de manera espontánea, pares de partículas y antipartículas «virtuales» que se aniquilan y desaparecen tan solo un instante después, demasiado rápido para que podamos detectarlas (de ahí lo de «virtuales»). Así pues, las fluctuaciones cuánticas confieren al vacío una energía que, en principio, podemos calcular a partir de la teoría. El problema es que, si lo hacemos, obtenemos un valor muchísimo mayor (hasta 10¹²⁰ veces, un uno seguido de ciento veinte ceros) que el observado.

Veamos brevemente cómo se realiza el cálculo. El modelo estándar, la teoría actual de la Física de partículas, es una teoría cuántica de campos. Eso quiere decir que cada partícula fundamental (electrones, fotones, quarks, etc.) está asociada a un campo, un objeto matemático que describe sus propiedades e interacciones. Así, por ejemplo, los fotones, las partículas de luz, están asociadas al campo electromagnético. Cada uno de estos campos contribuye con sus fluctuaciones a la energía del vacío. El caso es que un sencillo cálculo demuestra que cada una de estas aportaciones a la energía de vacío debería ser muchísimo mayor que el valor medido. Aunque algunas de estas contribuciones son positivas y otras negativas, todas ellas dependen de distintos parámetros, por lo que a priori no hay ninguna razón por la que debieran cancelarse. Pero, incluso si eso ocurriera, sería mucho más natural que la energía de vacío fuera exactamente cero, en vez de un valor tan sumamente pequeño. Para obtener una idea cualitativa del problema que esto supone, imaginemos que tenemos dos equipos que participan en una competición de lanzamiento de jabalina.

Las reglas son las siguientes: cada uno de los miembros de un equipo hace un solo lanzamiento, y el resultado final del equipo es la suma de todas las distancias alcanzadas. Para complicar más las cosas, cada equipo está integrado por un número distinto de personas y el nivel de los participantes es muy heterogéneo, algunos apenas alcanzan 10 metros y otros rozan los 90. Supongamos que calculamos el resultado final de los dos equipos, de acuerdo con las reglas anteriormente expuestas… ¡y ambos resultados difieren en tan solo una micra (una millonésima de metro)! Nadie se lo creería, tamaña casualidad parece completamente imposible.

Algo así pasa con la energía del vacío. Solo que, en el ejemplo de la jabalina, las contribuciones (cada uno de los lanzamientos) son unas 108 veces mayores que el resultado final (una micra), ¡y en el caso de la energía del vacío estamos hablando de un factor 10¹²⁰! En pocas ocasiones se ha producido en la Física una discrepancia tan abismal entre el resultado de un cálculo y el valor medido. Hoy en día, nadie ha logrado todavía encontrar una solución para este problema de la constante cosmológica, y todos los modelos alternativos que tratan de explicar la aceleración del Universo a partir de algún tipo de energía oscura suponen implícitamente que la energía del vacío se anula por algún motivo que aún no entendemos.

UNA COINCIDENCIA PROBLEMÁTICA

Por si lo expuesto fuera poco, la constante cosmológica presenta aún otro problema conceptual. Como su propio nombre indica, su valor es constante, no cambia con el tiempo. La densidad de materia, por el contrario, cada vez es menor debido a la expansión del Universo. Para entenderlo, recordemos que la densidad es igual a masa dividida por volumen. Así que si la cantidad de materia se mantiene constante y el volumen del Universo cada vez es mayor, la densidad irá disminuyendo. Eso quiere decir que en el pasado, durante muchos miles de millones de años, la densidad de materia ha sido mucho mayor que la de la energía de vacío. Y en el futuro pasará justo lo contrario, la materia se diluirá tanto que su densidad será mucho menor que la constante cosmológica.

Como se ve en la figura 3, ambas cantidades solo parecen ser comparables precisamente en el momento actual. ¿Por qué ocurre esto? ¿No es mucha casualidad? Como a los físicos no les gustan nada las casualidades, esto representa un problema (aunque no tan serio como el de la constante cosmológica) que se conoce como el problema de la coincidencia.

Antes de pasar a comentar algunas de las posibles alternativas a la constante cosmológica, merece la pena poner énfasis en dos características notables de la energía de vacío. La primera es que está uniformemente distribuida por todo el espacio: está extendida por todo el Universo, en todas partes, en vez de agruparse como, por ejemplo, la materia oscura. La segunda es que, como acabamos de ver, no se diluye con la expansión del Universo. Además, tiene un efecto gravitatorio repulsivo. Definitivamente, ¡la energía de vacío tiene unas características muy peculiares!

EL CAMPO ESCALAR DE LA ENERGÍA OSCURA: LA QUINTAESENCIA

Una manera de intentar solucionar los dos problemas relacionados con la constante cosmológica es permitir que la energía oscura varíe con el tiempo. La manera más habitual de conseguirlo es asociar la energía a un campo escalar, similar al que se piensa que produjo la inflación en los primeros instantes del Universo. Como he dicho anteriormente, la Física de partículas moderna describe la naturaleza a través de campos, objetos matemáticos que toman un valor en cada punto del espacio. Si ese valor es simplemente un número, decimos que se trata de un campo escalar. Un ejemplo sería un campo de temperaturas que asigne una temperatura a cada punto de una habitación. También podemos tener campos vectoriales, que en cada punto tienen una magnitud y una dirección, como el campo eléctrico creado por una partícula cargada. Las partículas serían excitaciones o perturbaciones de estos campos.

El campo escalar asociado a la energía oscura se conoce como campo de quintaesencia. Para entender su comportamiento, podemos imaginar que es como una canica que cae rodando por un valle (fig. 4). La canica tendrá una energía cinética (asociada a la velocidad con la que cae) y una energía potencial (asociada a su altura: cuánto más alta se encuentre, más energía potencial tendrá).

Las características de la aceleración causada por el campo de quintaesencia dependerán de la relación entre su energía cinética y la potencial, relación que puede cambiar con el tiempo. Por ejemplo, si la energía potencial es mucho mayor que la cinética (la canica se mueve muy lentamente), el campo de quintaesencia se comportará de manera muy parecida a una constante cosmológica. Existen muchos modelos distintos de quintaesencia, cada uno caracterizado por un potencial (la forma del valle por el que rueda la canica) distinto.

Esta explicación de la energía oscura a través de un campo escalar es muy popular por varias razones. En primer lugar, los campos escalares aparecen de manera natural en prácticamente todas las teorías que pretenden generalizar el modelo estándar de la Física de partículas, como por ejemplo la supersimetría. Por otro lado, como ya he apuntado, una energía oscura que cambia con el tiempo, podría ayudar a explicar los dos problemas asociados con la energía oscura.

Sin embargo, los campos escalares presentan sus propios problemas. Para que el campo se comporte hoy en día como una constante cosmológica (como requieren las observaciones) hay que ajustar arbitrariamente algunos de sus parámetros. En particular, su masa debe ser extremadamente pequeña. Esto es un inconveniente, porque las masas de los campos escalares tienden a ser muy grandes, a no ser que no haya una buena razón (una simetría) que lo impida. De hecho, uno de los principales problemas del modelo estándar, conocido como el problema de la jerarquía, es explicar por qué la masa del bosón de Higgs es tan pequeña… ¡y la masa del campo de quintaesencia tendría que ser unas 10⁴⁴ veces menor! Además, sabemos que las partículas con masas pequeñas dan lugar a interacciones de largo alcance (que actúan a grandes distancias); por ejemplo, las dos interacciones de este tipo que conocemos, la electromagnética y la gravitatoria, están asociadas a partículas de masa cero: el fotón y el gravitón, respectivamente. Así, esperaríamos que la partícula asociada al campo de quintaesencia diera lugar a un nuevo tipo de interacción, una «quinta fuerza» que produjese efectos observables. Sin embargo, diversos experimentos imponen restricciones muy severas contra la existencia de este tipo de fuerzas.

En la actualidad, y aunque la posibilidad de una energía oscura dinámica es atractiva y debemos tenerla en cuenta, la manera más simple y convincente de explicar la expansión acelerada del cosmos sigue siendo a través de una constante cosmológica.

CONTINUARÁ...