¿Podrían los orígenes cuánticos de la gravedad explicar la energía oscura?

Durante décadas, los cosmólogos se han preguntado sobre la naturaleza de la energía oscura, la fuerza antigravitacional propuesta detrás de la expansión acelerada del universo. Desde la década de 1990, los astrónomos han observado que el universo no sólo se está expandiendo, sino que también está aumentando su tasa de expansión. Esto es muy extraño, porque se esperaría que la atracción gravitacional colectiva de todas las “cosas” del universo eventualmente revierta la expansión cósmica, o al menos la ralentice. En cambio, al igual que una pelota lanzada suavemente sobre nuestras cabezas que de repente se eleva hacia los cielos, una fuerza misteriosa (la antes mencionada “energía oscura”) está alejando de nosotros regiones del espacio lejanas y llenas de galaxias a velocidades cada vez mayores. Ninguna física conocida ha explicado completamente este fenómeno; sigue siendo un enigma cósmico, y su verdadera naturaleza, aún desconocida, moldeará profundamente el destino final de nuestro universo.

Ahora, sin embargo, un nuevo estudio teórico, presentado para su publicación en el Revista de cosmología y física de astropartículas, sugiere que las aparentes propiedades antigravitacionales de la energía oscura pueden ser la consecuencia natural e inevitable de cómo funciona la gravedad en primer lugar, en las escalas cuánticas más fundamentales del universo. Si finalmente se verifica con más evidencia cosmológica, la idea representaría un avance importante en la larga búsqueda para reparar el cisma entre las dos teorías más apreciadas por los físicos: la mecánica cuántica, que describe el mundo microscópico de partículas y campos, y la relatividad general, que describe el cosmos macroscópico de planetas, estrellas y galaxias. La relatividad general postula que la gravedad es una propiedad emergente de las curvas y deformaciones en el espacio-tiempo (el tejido de la realidad misma), pero la teoría pierde su poder predictivo a escalas cuánticas; por el contrario, la mecánica cuántica incorpora con precisión todas las demás fuerzas fundamentales conocidas excepto la gravedad, que no encaja en la teoría. Por lo tanto, muchos físicos sospechan que una teoría cuántica de la gravedad es la única manera de unificar estos dos enfoques opuestos.

Según Daniele Oriti, coautor del nuevo artículo, la idea central detrás de cualquier teoría de la gravedad cuántica es que la gravitación surge de una miríada de objetos cuánticos pequeños y discretos que forman una especie de inframundo oculto, una subestructura más profunda debajo de la superficie. dimensiones familiares de espacio y tiempo. “Estos objetos cuánticos, que son muy difíciles de imaginar”, dice Oriti, “son esencialmente los componentes básicos del espacio mismo. No existen en el espacio, pero son en sí mismos la materia misma de la que está hecho el espacio. Si es que existen, son absolutamente diminutos en tamaño y están a una escala microscópica que ni siquiera los microscopios más potentes pueden ver”.

En el estudio, Oriti y su coautor Xiankai Pang, ambos de la Universidad de Munich en Alemania, se centraron primero en desarrollar un nuevo modelo de gravedad cuántica tratando de comprender mejor las propiedades de la fuerza a nivel microscópico. “Una vez construido nuestro nuevo modelo”, dice Oriti, “decidimos rastrearlo a través del tiempo desde el comienzo de nuestro universo modelado, para ver qué sucedería durante la evolución de su expansión. Definitivamente nos sorprendimos cuando vimos algo muy parecido a la energía oscura. El modelo produjo una aceleración de la expansión del universo en la etapa correspondiente al momento en el que nos encontramos hoy, lo que coincide muy de cerca con la evidencia observacional actual”.

“Se trata de un resultado bastante elegante”, afirma Abhay Ashtekar, un eminente teórico de Penn State que trabaja en teorías modernas de la gravedad cuántica y que no participó en el nuevo estudio. “Dado que el nuevo enfoque comienza con un marco general para la gravedad cuántica en el nivel subespacial y luego lo aplica a la escala cosmológica, mientras que en otros métodos uno se limita desde el principio al contexto cosmológico, la nueva idea parte de una perspectiva más perspectiva fundamental que la que hemos tenido antes, y eso es una ventaja”.

Oriti explica que la aceleración del modelo de la expansión del universo, durante la etapa correspondiente a hoy, es causada por interacciones entre los objetos cuánticos subespaciales que componen la gravedad en la teoría. Una vez que el universo en expansión alcanza un volumen crítico, estos objetos cuánticos comienzan a interactuar entre sí de nuevas formas. Es un poco como hornear un pastel. Imaginemos un pastel donde la levadura (en este caso, los objetos cuánticos subespaciales) no es tan importante hasta que se alcanza una temperatura crítica (en este caso, el volumen del universo), después de lo cual las condiciones son las adecuadas para ponerla en acción, provocando una rápida expansión. En el modelo de gravedad cuántica, esto es lo que provoca la aparición del fenómeno similar a la energía oscura, que se caracteriza por una aceleración del crecimiento del volumen del espacio.

“En el modelo, durante el universo temprano, cuando el volumen era pequeño, los objetos cuánticos de los que emerge el espacio interactúan de una manera que los hace subdominantes en comparación con su evolución a largo plazo a gran escala”, dice Oriti. “Pero luego, debido a que el universo sigue expandiéndose a través del tiempo, en algún momento estas interacciones se vuelven relevantes y comienzan a afectar la evolución del universo –la dinámica del universo– de manera considerable, provocando una aceleración de la expansión. Entonces, en esa etapa, las interacciones entre los objetos cuánticos que componen el espacio producen una aceleración similar en descripción y magnitud a la energía oscura que observan los cosmólogos”.

“Tener un efecto fenomenológico de la energía oscura como éste a partir de un modelo de gravedad cuántica es muy interesante”, afirma Ana Alonso Serrano, física del Instituto Max Planck de Física Gravitacional de Alemania, que tampoco participó en el estudio. “Creo que es importante que exploremos nuestros modelos de gravedad cuántica de esta manera, para ver si pueden hacer predicciones sobre cosmología y compararlas con las observaciones”.

“El siguiente paso será basarse en su teoría y su modelo, para hacer más predicciones que puedan compararse con observaciones cosmológicas reales”, dice. “Pero creo que todavía queda un largo camino por recorrer antes de que realmente establezcamos una buena comprensión sobre la naturaleza cuántica de la gravedad y, de hecho, si existe una relación firme con la energía oscura”.