El hombre que está intentando matar la materia oscura

El físico teórico holandés Erik Verlinde sostiene que la materia oscura no existe. Crédito de la imagen: ILVY NJIOKIKTJIEN / QUANTA MAGAZINE Por Natalie Wolchover, para Wired Enero 14 de 2017 Durante 80 años, los científicos han confundido la forma en que las galaxias y otras estructuras cósmicas parecen gravitar hacia algo que no pueden ver. Esta "materia oscura" hipotética parece superar a toda la materia visible por una sorprendente proporción de cinco a uno, lo que sugiere que apenas conocemos nuestro propio universo. Miles de físicos están buscando obstinadamente estas partículas invisibles. Pero la hipótesis de la materia oscura supone que los científicos saben cómo la materia en el cielo debería moverse en primer lugar. A finales de 2016, una serie de avances ha revivido un argumento desde hace mucho tiempo desfavorable de que la materia oscura no existe después de todo. En este punto de vista, no se necesita ninguna materia faltante para explicar los movimientos errantes de los cuerpos celestes; más bien, en las escalas cósmicas, la gravedad misma funciona de una manera diferente que Isaac Newton o Albert Einstein predijo. El último intento de explicar la materia oscura es una propuesta muy discutida por Erik Verlinde, físico teórico de la Universidad de Amsterdam, conocido por sus ideas atrevidas y prescientes, aunque a veces imperfectas. En un denso documento de 51 páginas publicado en línea el 7 de noviembre, Verlinde arroja la gravedad como un subproducto de las interacciones cuánticas y sugiere que la gravedad extra atribuida a la materia oscura es un efecto de "energía oscura" -la energía de fondo tejida en el espacio- tiempo del universo. En lugar de hordas de partículas invisibles, "la materia oscura es una interacción entre la materia ordinaria y la energía oscura", dijo Verlinde. Para hacer su caso, Verlinde ha adoptado una perspectiva radical sobre el origen de la gravedad que está actualmente en boga entre los principales físicos teóricos. Einstein definió la gravedad como el efecto de las curvas en el espacio-tiempo creado por la presencia de la materia. Según el nuevo enfoque, la gravedad es un fenómeno emergente. El espacio-tiempo y la materia dentro de él se tratan como un holograma que surge de una red subyacente de bits cuánticos (llamados "qubits" , así como el entorno tridimensional de un juego de ordenador está codificado en bits clásicos en un chip de silicio. Trabajando dentro de este marco, Verlinde traza energía oscura a una propiedad de estos qubits subyacentes que supuestamente codifican el universo. A grandes escalas en el holograma, argumenta, la energía oscura interactúa con la materia de la manera correcta para crear la ilusión de la materia oscura. En sus cálculos, Verlinde redescubrió las ecuaciones de la "dinámica newtoniana modificada", o MOND. Esta teoría de 30 años hace un ajuste ad hoc a la famosa ley de gravedad "cuadrado inverso" en las teorías de Newton y Einstein para explicar algunos de los fenómenos atribuidos a la materia oscura. Que este feo arreglo funciona en absoluto ha confundido a los físicos. "Tengo una manera de entender el éxito de MOND desde una perspectiva más fundamental", dijo Verlinde. Muchos expertos han llamado el papel de Verlinde atractivo pero difícil de seguir. Si bien queda por ver si sus argumentos se mantendrán hasta el escrutinio, el momento es fortuito. En un nuevo análisis de galaxias publicado el 9 de noviembre en Physical Review Letters, tres astrofísicos dirigidos por Stacy McGaugh de Case Western Reserve University en Cleveland, Ohio, han fortalecido el caso de MOND contra la materia oscura. Los investigadores analizaron un conjunto diverso de 153 galaxias y, para cada uno, compararon la velocidad de rotación de la materia visible a cualquier distancia del centro de la galaxia con la cantidad de materia visible contenida dentro de ese radio galáctico. Estas dos variables estaban estrechamente unidas en todas las galaxias por una ley universal, denominada "relación de aceleración radial". Esto tiene sentido en el paradigma MOND, ya que la materia visible es la fuente exclusiva de la gravedad que impulsa la rotación de la galaxia si esa gravedad no toma la forma prescrita por Newton o Einstein). Con una relación tan estrecha entre la gravedad sentida por la materia visible y la gravedad dada por la materia visible, parece que no hay espacio, ni necesidad, para la materia oscura. Incluso cuando los defensores de la materia oscura se levantan para defenderse, se ha materializado un tercer desafío. En una nueva investigación que ha sido presentada en seminarios y está siendo revisada por los Avisos Mensuales de la Real Sociedad Astronómica, un equipo de astrónomos holandeses han llevado a cabo lo que ellos llaman la primera prueba de la teoría de Verlinde: Al comparar sus fórmulas con datos de más de 30.000 galaxias, Margot Brouwer de la Universidad de Leiden en Holanda y sus colegas encontraron que Verlinde predice correctamente la distorsión gravitatoria o "lente" de la luz de las galaxias, otro fenómeno que normalmente se atribuye a la materia oscura. Esto es algo de esperar, como el desarrollador original de la MOND, el astrofísico israelí Mordehai Milgrom, mostró hace años que la MOND es responsable de los datos de la lente gravitatoria. La teoría de Verlinde necesitará tener éxito en la reproducción de los fenómenos de la materia oscura en los casos en que el viejo MOND falló. Kathryn Zurek, teórico de la materia oscura en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, dijo que la propuesta de Verlinde demuestra al menos cómo algo como MOND podría ser correcto después de todo. "Uno de los retos con la gravedad modificada es que no había una teoría sensata que diera lugar a este comportamiento", dijo. "Si el papel (de Verlinde) termina dando ese marco, entonces por sí solo podría ser suficiente para dar más vida a mirar (MOND) más seriamente". El nuevo MOND En las teorías de Newton y Einstein, la atracción gravitatoria de un objeto masivo cae en proporción al cuadrado de la distancia que lo separa. Esto significa que las estrellas que orbitan alrededor de una galaxia deben sentir menos atracción gravitatoria --y orbitar más lentamente-- cuanto más lejos están del centro galáctico. Las velocidades de las estrellas disminuyen según lo predicho por la ley del cuadrado inverso en la galaxia interna, pero en lugar de seguir bajando a medida que se alejan, sus velocidades se nivelan más allá de cierto punto. El "aplanamiento" de las velocidades de rotación de las galaxias, descubierto por la astrónoma Vera Rubin en los años 70, es ampliamente considerado como la Prueba A en el caso de la materia oscura -explicada en ese paradigma- por nubes de materia oscura o "halos" que rodean galaxias y dar una aceleración gravitacional extra a sus estrellas periféricas. Crédito de la imagen: LUCY READING-IKKANDA/QUANTA MAGAZINE Las búsquedas de partículas de materia oscura han proliferado -con hipotéticas "partículas masivas que interaccionan débilmente" (WIMPs) y "axiones" más ligeros que sirven como candidatos principales- pero hasta ahora los experimentos no han encontrado nada. Mientras tanto, en los años setenta y ochenta, algunos investigadores, entre ellos Milgrom, tomaron una dirección diferente. Milgrom encontró una fórmula ganadora: Cuando la aceleración gravitacional experimentada por una estrella cae por debajo de un cierto nivel, precisamente 0.00000000012 metros por segundo por segundo, o 100.000 millones de veces más débil de lo que sentimos la superficie de la Tierra-postuló que la gravedad de alguna manera cambia de una ley del cuadrado inverso a algo cercano a una ley de distancia inversa. "Hay una escala mágica", dijo McGaugh. "Sobre esta escala, todo es normal y newtoniano. Debajo de esta escala es donde las cosas se ponen extrañas. Pero la teoría realmente no especifica cómo se obtiene de un régimen al otro ". A los físicos no les gusta la magia; cuando otras observaciones cosmológicas parecían mucho más fáciles de explicar con la materia oscura que con la MOND, dejaron el enfoque para los muertos. La teoría de Verlinde revitaliza a MOND al intentar revelar el método detrás de la magia. Verlinde, pelirrojo y pelirrojo a los 54 años y elogiado por los cálculos altamente técnicos de la teoría de cuerdas, anotó por primera vez una versión de su idea en el 2010. Se basó en un famoso trabajo que había escrito meses antes, en el que él audazmente declaró que la gravedad no existe realmente. Al unir numerosos conceptos y conjeturas a la vanguardia de la física, había llegado a la conclusión de que la gravedad es un efecto termodinámico emergente, relacionado con la creciente entropía (o desorden). Entonces, como ahora, los expertos no estaban seguros de qué hacer del documento, aunque inspiró discusiones fructíferas. La marca particular de la gravedad emergente en el papel de Verlinde resultó no estar bien, pero estaba aprovechando la misma intuición que llevó a otros teóricos a desarrollar la descripción holográfica moderna de la gravedad emergente y el espacio-tiempo, un enfoque que Verlinde ha absorbido ahora en su nuevo trabajo. En este marco, el espacio-tiempo curvy y curvy y todo en él es una representación geométrica de la información cuántica pura - es decir, los datos almacenados en qubits. A diferencia de los bits clásicos, los qubits pueden existir simultáneamente en dos estados (0 y 1) con diversos grados de probabilidad, y se "entrelazan" entre sí, de modo que el estado de un qubit determina el estado del otro y viceversa, no importa lo lejos que estén. Los físicos han comenzado a elaborar las reglas mediante las cuales la estructura de enredo de qubits se traduce matemáticamente en una geometría asociada espacio-tiempo. Por ejemplo, una serie de qubits enredados con sus vecinos más cercanos podría codificar un espacio plano, mientras que patrones más complicados de entrelazamiento dan lugar a partículas de materia tales como quarks y electrones, cuya masa hace que el espacio-tiempo sea curvado, produciendo gravedad. "La mejor manera de entender la gravedad cuántica en la actualidad es este enfoque holográfico", dijo Mark Van Raamsdonk, físico de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, que ha hecho un trabajo influyente en el tema. Las traducciones matemáticas se están elaborando rápidamente para los universos holográficos con una geometría espacio-tiempo Escher-esque conocida como anti-de Sitter (AdS) espacio, pero universos como el nuestro, que tienen geometrías de Sitter, han demostrado ser mucho más difícil. En su nuevo artículo, Verlinde especula que es exactamente la propiedad de Sitter de nuestro espacio-tiempo nativo que conduce a la ilusión de la materia oscura. De Sitter espacio-veces como el nuestro estirar a medida que mirar lejos en la distancia. Para que esto suceda, el espacio-tiempo debe ser infundido con una pequeña cantidad de energía de fondo --a menudo llamada energía oscura-- que separa el espacio-tiempo de sí mismo. Verlinde modelos energía oscura como una energía térmica, como si nuestro universo se ha calentado a un estado excitado. (El espacio AdS, por el contrario, es como un sistema en su estado fundamental). Verlinde asocia esta energía térmica con un entrelazamiento de largo alcance entre los qubits subyacentes, como si hubieran sido sacudidos, separando a los pares enredados. Sostiene que este enredo de largo alcance se ve interrumpido por la presencia de materia, que esencialmente elimina la energía oscura de la región del espacio-tiempo que ocupaba. La energía oscura entonces intenta regresar a este espacio, ejerciendo una especie de respuesta elástica sobre la materia que es equivalente a una atracción gravitatoria. Debido a la naturaleza de largo alcance del enredo, la respuesta elástica se hace cada vez más importante en volúmenes mayores de espacio-tiempo. Verlinde calcula que hará que las curvas de rotación de las galaxias comiencen a desviarse de la ley del cuadrado inverso de Newton exactamente a la escala de aceleración mágica señalada por Milgrom en su teoría original de MOND. Van Raamsdonk dice que la idea de Verlinde es "definitivamente una dirección importante". Pero dice que es demasiado pronto para decir si todo lo que está en el papel -que se basa en la teoría de la información cuántica, la termodinámica, la física de la materia condensada, la holografía y la astrofísica- se cuelga. De cualquier manera, Van Raamsdonk dijo: "La premisa me parece interesante, y me siento como el esfuerzo de entender si algo así podría ser correcto podría ser esclarecedor". Un problema, dijo Brian Swingle de las universidades de Harvard y Brandeis, que también trabaja en holografía, es que Verlinde carece de un universo modelo concreto como los que los investigadores pueden construir en el espacio AdS, dándole más espacio para hacer especulaciones no probadas. "Para ser justos, hemos llegado más lejos trabajando en un contexto más limitado, uno que es menos relevante para nuestro propio universo gravitacional", dijo Swingle, refiriéndose al trabajo en el espacio AdS. "Necesitamos abordar universos más parecidos a los nuestros, por lo que espero que su nuevo artículo aporte algunas pistas o ideas adicionales en el futuro". link: https://www.youtube.com/watch?time_continue=19&v=4WjqP4-azKA El caso de la materia oscura Verlinde podría estar captando el zeitgeist de la manera en que su papel de gravitación entrópica de 2010 lo hizo. O podría estar equivocado. La pregunta es si su nueva y mejorada MDE puede reproducir fenómenos que frustraron la vieja MOND y reforzaron la creencia en la materia oscura. Uno de estos fenómenos es el grupo Bullet, un grupo de galaxias en el proceso de colisionar con otro. La materia visible de los dos grupos se bloquea, pero la lente gravitatoria sugiere que una gran cantidad de materia oscura, que no interactúa con la materia visible, ha pasado a través del sitio del accidente. Algunos físicos consideran esta prueba indiscutible de la materia oscura. Sin embargo, Verlinde piensa que su teoría será capaz de manejar las observaciones del grupo de Bullet muy bien. Dice que el efecto gravitatorio de la energía oscura está incrustado en el espacio-tiempo y es menos deformable que la materia misma, lo que habría permitido que los dos se separaran durante la colisión de los racimos. Pero la coronación de la teoría de Verlinde sería dar cuenta de las impresiones sospechosas de materia oscura en el fondo cósmico de microondas (CMB), antigua luz que ofrece una instantánea del universo infantil. La instantánea revela la forma en que la materia en el tiempo se contrajo repetidamente debido a su atracción gravitatoria y luego se expandió debido a las colisiones de sí mismo, produciendo una serie de picos y valles en los datos del CMB. Debido a que la materia oscura no interactúa, sólo se habría contraído sin expandirse nunca, y esto modularía las amplitudes de los picos del CMB exactamente de la manera que los científicos observan. Una de las mayores huelgas contra el viejo MOND fue su fracaso para predecir esta modulación y coincidir con las amplitudes de los picos. Verlinde espera que su versión funcione, una vez más, porque la materia y el efecto gravitacional de la energía oscura pueden separarse unos de otros y exhibir comportamientos diferentes. "Habiendo dicho esto", dijo, "no he calculado todo esto." Mientras que Verlinde se enfrenta a estos y otros tantos desafíos, los defensores de la hipótesis de la materia oscura tienen algunas explicaciones sobre los propios descubrimientos de McGaugh y sus colegas sobre la relación universal entre las velocidades de rotación de las galaxias y su contenido de materia visible. En octubre, respondiendo a una preimpresión del artículo de McGaugh y sus colegas, dos equipos de astrofísicos sostuvieron de manera independiente que la hipótesis de la materia oscura puede explicar las observaciones. Dicen que la cantidad de materia oscura en el halo de una galaxia habría determinado con precisión la cantidad de materia visible que la galaxia terminó con cuando se formó. En este caso, las velocidades de rotación de las galaxias, aunque estén determinadas por la materia oscura y la materia visible combinadas, se correlacionarán exactamente con su contenido de materia oscura o su contenido de materia visible (ya que los dos no son independientes). Sin embargo, las simulaciones computarizadas de la formación de galaxias no indican actualmente que el contenido de materia oscura y visible de las galaxias se rastreará siempre. Los expertos están ocupados modificando las simulaciones, pero Arthur Kosowsky de la Universidad de Pittsburgh, uno de los investigadores que trabajan en ellos, dice que es demasiado pronto para decir si las simulaciones serán capaces de igualar todos los 153 ejemplos de la ley universal en McGaugh y sus colegas 'conjunto de datos de la galaxia. Si no es así, entonces el paradigma estándar de la materia oscura está en grandes problemas. "Obviamente esto es algo que la comunidad tiene que mirar con más cuidado", dijo Zurek. Incluso si las simulaciones se pueden hacer para que coincida con los datos, McGaugh, por ejemplo, considera una coincidencia implausible que la materia oscura y la materia visible conspirarían para imitar exactamente las predicciones de la MOND en cada lugar en cada galaxia. "Si alguien viniera a usted y dijera: 'El sistema solar no funciona en una ley de cuadrado inverso, realmente es una ley de cubo inverso, pero hay materia oscura que está dispuesta sólo para que siempre se vea en forma de cuadrado inverso, 'dirías que esa persona es una locura'", dijo. "Pero eso es básicamente lo que estamos pidiendo que sea el caso con la materia oscura aquí". Dada la considerable evidencia indirecta y el consenso cercano entre los físicos de que la materia oscura existe, probablemente todavía lo haga, dijo Zurek. "Dicho esto, siempre debe comprobar que no está en marcha", agregó. "A pesar de que este paradigma lo explica todo, siempre debe comprobar que no hay algo más sucediendo". Historia original reimpreso con permiso de la revista Quanta, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia, cubriendo los desarrollos de la investigación y las tendencias en matemáticas y las ciencias físicas y de la vida. With a little help from Google Translate for Business