La Relatividad General de Einstein Podría Librarnos de la Necesidad de la Fuerza Misteriosa del Universo
Universo simulado: colaboración EAGLE, J Schaye et al 2015. Crédito de la imagen: MNRAS, CC BY-SA
Por Alan Coley, para Newsweek Junio 30 de 2017
Una nueva sugerencia de que la energía oscura puede no ser real - dispensando el 70% de las cosas en el universo - ha reavivado un debate de larga data.
La energía oscura y la materia oscura son invenciones teóricas que explican observaciones que no podemos entender de otro modo.
En la escala de las galaxias, la gravedad parece ser más fuerte de lo que podemos explicar usando sólo partículas que son capaces de emitir luz. Así que añadimos partículas de materia oscura como el 25% de la energía de masa del Universo. Tales partículas nunca han sido detectadas directamente.
En las escalas más grandes en las que el Universo se está expandiendo, la gravedad aparece más débil de lo que se esperaba en un universo que contenía sólo partículas - ya sea materia ordinaria o oscura. Así que añadimos "energía oscura": una débil fuerza anti-gravedad que actúa independientemente de la materia.
Breve historia de la "energía oscura"
La idea de energía oscura es tan antigua como la relatividad general misma. Albert Einstein lo incluyó cuando aplicó la relatividad a la cosmología exactamente hace 100 años.
Einstein erróneamente quería equilibrar exactamente la auto atracción de la materia por la antigravedad en las escalas más grandes. No podía imaginar que el Universo tuviera un comienzo y no quisiera que cambiara en el tiempo.
Casi nada se sabía sobre el Universo en 1917. La idea de que las galaxias eran objetos a grandes distancias fue debatida.
Einstein se enfrentó a un dilema. La esencia física de su teoría, resumida décadas más tarde en la introducción de un libro de texto famoso es:
La materia le dice al espacio cómo curvar, y el espacio le dice a la materia cómo moverse.
Eso significa que el espacio naturalmente quiere expandirse o contraerse, doblándose junto con el asunto. Nunca se queda quieto.
Albert Einstein incluyó la idea de añadir energía oscura a su trabajo. Crédito de la imagen: Reuters
Esto fue realizado por Alexander Friedmann que en 1922 guardó los mismos ingredientes que Einstein. Pero no trató de equilibrar la cantidad de materia y la energía oscura. Eso sugirió un modelo en el que universos que podrían expandirse o contraerse.
Además, la expansión siempre se ralentizaría si sólo la materia estuviera presente. Pero podría acelerar si se incluía la energía oscura antigravitante.
Desde finales de los noventa muchas observaciones independientes han parecido exigir una expansión tan acelerada, en un Universo con 70% de energía oscura. Pero esta conclusión se basa en el viejo modelo de expansión que no ha cambiado desde los años veinte.
Modelo cosmológico estándar
Las ecuaciones de Einstein son diabólicamente difíciles. Y no simplemente porque hay más de ellos que en la teoría de la gravedad de Isaac Newton.
Desafortunadamente, Einstein dejó algunas preguntas básicas sin respuesta. Estos incluyen - ¿en qué escala importa el espacio cómo se curva? ¿Cuál es el objeto más grande que se mueve como una partícula individual en respuesta? ¿Y cuál es la imagen correcta en otras escalas?
Estos problemas son convenientemente evitados por la aproximación de 100 años - introducida por Einstein y Friedmann - que, en promedio, el Universo se expande uniformemente. Como si todas las estructuras cósmicas pudieran ser colocadas a través de una licuadora para hacer una sopa sin rasgos.
Esta aproximación homogeneizadora se justificaba tempranamente en la historia cósmica. Sabemos por el fondo cósmico de microondas -la radiación reliquia del Big Bang- que las variaciones en la densidad de la materia eran minúsculas cuando el Universo tenía menos de un millón de años.
Pero el universo no es homogéneo hoy en día. La inestabilidad gravitacional condujo al crecimiento de estrellas, galaxias, racimos de galaxias y, finalmente, una vasta "red cósmica", dominada en volumen por huecos rodeados por láminas de galaxias y roscados por filamentos finos.
En cosmología estándar, asumimos un fondo que se expande como si no hubiera estructuras cósmicas. A continuación, hacemos simulaciones por computadora usando sólo la teoría de 330 años de Newton. Esto produce una estructura que se asemeja a la web cósmica observada de una manera razonablemente convincente. Pero requiere la inclusión de la energía oscura y la materia oscura como ingredientes.
Incluso después de inventar el 95% de la densidad de energía del universo para hacer que las cosas funcionen, el modelo mismo todavía enfrenta problemas que van desde tensiones a anomalías.
Además, la cosmología estándar también fija la curvatura del espacio para que sea uniforme en todas partes, y se desacopla de la materia. Pero eso está en desacuerdo con la idea básica de Einstein de que la materia dice al espacio cómo curvar.
¡No estamos usando toda la relatividad general! El modelo estándar se resume mejor: Friedmann le dice al espacio cómo curvar, y Newton le dice a la materia cómo moverse.
Introduzca "retroacción"
Desde principios de los años 2000, algunos cosmólogos han estado explorando la idea de que, si bien las ecuaciones de Einstein vinculan la materia y la curvatura a pequeñas escalas, su promedio a gran escala podría dar lugar a una reacción de retroceso, expansión promedio que no es exactamente homogénea.
Las distribuciones de la materia y de la curvatura comienzan casi uniforme cuando el universo es joven. Pero a medida que la red cósmica emerge y se vuelve más compleja, las variaciones de la curvatura a pequeña escala crecen y la expansión promedio puede diferir de la de la cosmología estándar.
Recientes resultados numéricos de un equipo en Budapest y Hawai que afirman prescindir de energía oscura utilizan simulaciones newtonianas estándar. Pero desarrollaron su código en el tiempo mediante un método no estándar para modelar el efecto de retroacción.
Intrigantemente, la resultante ley de expansión ajustada a los datos de satélite de Planck sigue una trayectoria muy cercana a la de un modelo de retroacción basado en la relatividad general de diez años, conocido como la cosmología del tiempo. Se postula que tenemos que calibrar relojes y reglas de manera diferente cuando se consideran variaciones de curvatura entre galaxias y huecos. Por un lado, esto significa que el Universo ya no tiene una sola edad.
En la próxima década, experimentos como el satélite Euclid y el experimento CODEX tendrán el poder de probar si la expansión cósmica sigue la ley homogénea de Friedmann o un modelo alternativo de reacción inversa.
La impresión de un artista muestra el European Extremely Large Telescope (E-ELT) que utiliza CODEX como un instrumento óptico, muy estable y de alta resolución espectral. Crédito de la imagen: ESO/L. Calçada, CC BY-SA
Para estar preparados, es importante que no pongamos todos nuestros huevos en una canasta cosmológica, como Avi Loeb, presidente de Astronomía en Harvard, ha advertido recientemente. En palabras de Loeb:
Para evitar el estancamiento y nutrir una cultura científica vibrante, una frontera de investigación siempre debe mantener por lo menos dos formas de interpretar los datos de modo que los nuevos experimentos apunten a seleccionar el correcto. Debe fomentarse un diálogo sano entre los diferentes puntos de vista a través de conferencias que discutan temas conceptuales y no sólo resultados experimentales y fenomenología, como suele ocurrir en la actualidad.
¿Qué puede enseñarnos la relatividad general?
Aunque la mayoría de los investigadores aceptan que existen los efectos de retroacción, el verdadero debate es si esto puede conducir a más del 1% o 2% de diferencia del presupuesto de energía de masas de la cosmología estándar.
Cualquier solución de retroacción que elimine la energía oscura debe explicar por qué la ley de expansión promedio aparece tan uniforme a pesar de la inhomogeneidad de la red cósmica, algo que la cosmología estándar asume sin explicación.
Puesto que las ecuaciones de Einstein pueden en principio hacer que el espacio se expanda de maneras extremadamente complicadas, se requiere un principio simplificador para su promedio a gran escala. Este es el enfoque de la cosmología del tiempo.
Cualquier principio simplificador para los promedios cosmológicos es probable que tenga sus orígenes en el Universo muy temprano, dado que era mucho más simple que el Universo de hoy. Durante los últimos 38 años, se han invocado modelos de modelos inflacionarios para explicar la simplicidad del Universo primitivo.
Aunque son exitosos en algunos aspectos, muchos modelos de inflación están ahora descartados por los datos de satélite de Planck. Aquellos que sobreviven dan pistas tentadoras de principios físicos más profundos.
Muchos físicos todavía ven el Universo como un continuo fijo que llega a existir independientemente de los campos de la materia que viven en él. Pero, en el espíritu de la relatividad ― que el espacio y el tiempo sólo tienen significado cuando son relacionales ― podemos necesitar repensar las ideas básicas.
Dado que el tiempo en sí solo es medido por partículas con una masa de reposo distinta de cero, tal vez el espacio-tiempo tal como lo conocemos sólo emerge cuando las primeras partículas masivas se condensan.
Sea cual sea la teoría final, probablemente incorporará la innovación clave de la relatividad general, a saber, el acoplamiento dinámico de la materia y la geometría, a nivel cuántico.
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