¿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 la física.
El universo tiene una serie de propiedades extrañas que son difíciles de entender con la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la materia que conocemos, que consta de átomos, moléculas y otras partículas, aparentemente constituye solo una pequeña parte de la densidad de energía del universo. La mayor contribución, más de dos tercios, proviene de la " energía oscura", una forma hipotética de energía cuyos antecedentes los físicos aún están desconcertados.
Además, el universo no solo se expande constantemente, sino que también lo hace a un ritmo cada vez más rápido. Ambas características parecen estar conectadas, porque la energía oscura también se considera un motor de expansión acelerada. Además, podría reunir dos poderosas escuelas físicas de pensamiento: la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad desarrollada por Albert Einstein. Pero hay una trampa: los cálculos y las observaciones hasta ahora han estado lejos de coincidir. Ahora, dos investigadores de Luxemburgo han mostrado una forma de resolver este enigma de 100 años de antigüedad en un artículo publicado por Physical Review Letters .
El rastro de partículas virtuales en el vacío
"La energía oscura surge de las fórmulas de la teoría cuántica de campos", explica el Prof. Alexandre Tkatchenko, profesor de Física Teórica del Estado Sólido en el Departamento de Física y Ciencias de los Materiales de la Universidad de Luxemburgo. Esta teoría se desarrolló para unir la mecánica cuántica y la relatividad general, que son incompatibles en aspectos fundamentales.
Su característica esencial: en contraste con la mecánica cuántica, la teoría considera no solo partículas sino también campos sin material como objetos cuánticos. "En este marco, muchos investigadores consideran que la energía oscura es una expresión de la llamada energía del vacío", dice Tkatchenko: una cantidad física que, en una imagen vívida, es causada por la aparición constante de pares de partículas y sus antipartículas, como como electrones y positrones, en lo que en realidad es espacio vacío.
Los físicos hablan de este ir y venir de partículas virtuales y sus campos cuánticos como fluctuaciones de vacío o de punto cero. Mientras que los pares de partículas se desvanecen instantáneamente en la nada nuevamente, dejan atrás una cierta cantidad de energía. “Esta energía del vacío también tiene un significado en la relatividad general ”, señala el científico luxemburgués. "Se manifiesta en la constante cosmológica que Einstein insertó en sus ecuaciones por razones matemáticas".
Un desajuste colosal
A diferencia de la energía oscura, que solo puede deducirse de las fórmulas de la teoría cuántica de campos, la constante cosmológica puede determinarse directamente mediante 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 sobre la base de la teoría cuántica de campos, por otro lado, arrojan resultados que corresponden a un valor de la constante cosmológica que es hasta 10 120 veces mayor, una discrepancia colosal, aunque en la visión del mundo de los físicos que prevalece hoy en día. , ambos valores deben ser iguales. La discrepancia encontrada en cambio se conoce como el "enigma 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. Dimitry Fedorov, ahora ha llevado la solución a este rompecabezas, que ha estado abierto durante décadas, un paso más cerca. En un artículo teórico, cuyos resultados publicaron recientemente, los dos investigadores luxemburgueses proponen una nueva interpretación de la energía oscura. Asume que las fluctuaciones del punto cero conducen a una polarizabilidad del vacío, que puede medirse y calcularse.
“En pares virtuales de partículas con carga eléctrica , 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 una auto-interacción, la polarizabilidad en tales partículas es una característica de la reacción. "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, desarrolló este modelo y lo presentó por primera vez en 2018, utilizado originalmente para describir propiedades atómicas, por ejemplo, en sólidos. Dado que las características geométricas son bastante fáciles de medir experimentalmente, la polarizabilidad también se puede determinar a través de estas desviaciones.
"Transferimos este procedimiento a los procesos en el vacío", explica Fedorov. Para ello, los dos investigadores observaron el comportamiento de los electrones y los positrones, que trataron como campos según los principios de la teoría cuántica de campos. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por una geometría de equilibrio cuyo valor ya se conoce a partir de experimentos.
"Lo insertamos en las fórmulas de nuestro modelo y de esta manera finalmente obtuvimos la fuerza de la polarización del vacío", informa Fedorov. El último paso fue entonces calcular mecánicamente cuánticamente la densidad de energía de la autointeracción entre los electrones y los positrones. El resultado obtenido de esta manera 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 ofrece así un enfoque elegante y poco convencional para resolver el enigma de la constante cosmológica”, resume el físico. "Además, proporciona una predicción verificable: a saber, que los campos cuánticos como los de los electrones y los positrones poseen una polarización pequeña pero siempre presente".
Este hallazgo señala el camino para que futuros experimentos detecten esta polarización también en el laboratorio, dicen los dos investigadores luxemburgueses, que ahora quieren aplicar su modelo a otros pares de partículas y antipartículas. “Nuestra idea conceptual debería ser aplicable a cualquier campo”, enfatiza Alexandre Tkatchenko. Él ve los nuevos resultados obtenidos junto con Dimitry Fedorov como el primer paso hacia una mejor comprensión de la energía oscura y su conexión con la constante cosmológica de Albert Einstein .
Tkatchenko está convencido: "Al final, esto también arrojará luz sobre la forma en que la teoría cuántica de campos y la teoría general de la reactividad se entrelazan como dos formas de ver el universo y sus componentes".
Fuente: Alexandre Tkatchenko et al, Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
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