Físicos afirman que pueden haber encontrado una explicación largamente esperada para la energía oscura, la misteriosa fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo, según sugiere un nuevo estudio preimpreso. Sus cálculos sugieren que, a escalas muy pequeñas, el espacio-tiempo se comporta de forma profundamente cuántica, difiriendo drásticamente de la estructura fluida y continua que experimentamos en la vida cotidiana. Según sus hallazgos, las coordenadas del espacio-tiempo no se conmutan, es decir, el orden en que aparecen en las ecuaciones afecta el resultado. Esto es similar a cómo se comportan la posición y la velocidad de una partícula en la mecánica cuántica.
Una de las consecuencias más impactantes de este espacio-tiempo cuántico, según lo predice la teoría de cuerdas, es que conduce naturalmente a la aceleración cósmica. Además, los investigadores descubrieron que la velocidad a la que esta aceleración disminuye con el tiempo coincide notablemente con las últimas observaciones del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI).
“Visto a través de la lente de nuestro trabajo, se podría pensar en el resultado del DESI como la primera evidencia observacional que respalda la teoría de cuerdas y quizás las primeras consecuencias observables de la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica”, dijo a Live Science por correo electrónico el coautor del estudio Michael Kavic, profesor de SUNY Old Westbury.
El misterio de la expansión del universo
En 1998, dos equipos independientes —el Proyecto de Cosmología de Supernovas y el Equipo de Búsqueda de Supernovas de Alta Z— descubrieron que la expansión del universo no se estaba ralentizando, como se creía, sino que se estaba acelerando. Llegaron a esta conclusión estudiando supernovas distantes, que parecían más tenues de lo esperado. Esta aceleración implicaba la presencia de una entidad misteriosa que permeaba el espacio, posteriormente denominada energía oscura.
Sin embargo, el origen de la energía oscura ha permanecido esquivo. Una hipótesis popular sugiere que surge de fluctuaciones cuánticas en el vacío, similares a las observadas en el campo electromagnético. Sin embargo, cuando los físicos intentaron calcular la tasa de expansión basándose en esta idea, llegaron a un valor 120 órdenes de magnitud mayor, una discrepancia asombrosa.
Las recientes observaciones del DESI complicaron aún más el panorama. Según el Modelo Estándar de partículas elementales, si la energía oscura fuera simplemente energía del vacío, su densidad debería permanecer constante a lo largo del tiempo. Sin embargo, los datos del DESI indican que la tasa de aceleración no es fija, sino que disminuye con el tiempo, algo que el Modelo Estándar no predice.
Resolviendo el misterio con la teoría de cuerdas
Para abordar estas inconsistencias, los investigadores recurrieron a la teoría de cuerdas, una de las principales candidatas para una teoría cuántica de la gravedad. A diferencia del Modelo Estándar, que trata las partículas elementales como si fueran puntuales, la teoría de cuerdas propone que en realidad son diminutos objetos unidimensionales vibrantes llamados cuerdas. Estas cuerdas, dependiendo de sus modos de vibración, dan lugar a diferentes partículas, incluyendo el gravitón, el hipotético portador cuántico de la gravedad.
En un nuevo artículo que se publicó en la base de datos de preimpresión arXiv pero que no ha sido revisado por pares, los físicos Sunhaeng Hur, Djordje Minic, Tatsu Takeuchi (Virginia Tech), Vishnu Jejjala (Universidad de Witwatersrand) y Michael Kavic aplicaron la teoría de cuerdas para analizar el espacio-tiempo a nivel cuántico. Al reemplazar la descripción de partículas del Modelo Estándar con el marco de la teoría de cuerdas, los investigadores descubrieron que el espacio-tiempo en sí mismo es inherentemente cuántico y no conmutativo, lo que significa que el orden en el que aparecen las coordenadas en las ecuaciones importa.
Esta desviación radical de la física clásica les permitió derivar las propiedades de la energía oscura no solo a partir de datos experimentales, sino directamente de una teoría física fundamental. Su modelo no sólo arrojó una densidad de energía oscura que se asemeja bastante a los datos observacionales, sino que también predijo correctamente que esta energía debería disminuir con el tiempo, en consonancia con los hallazgos del DESI.
Uno de los aspectos más sorprendentes de su resultado es que el valor de la energía oscura depende de dos escalas de longitud muy diferentes: la longitud de Planck, la escala fundamental de la gravedad cuántica, que es de aproximadamente 10⁻³³ centímetros; y el tamaño del universo, que tiene miles de millones de años luz de diámetro. Esta conexión entre las escalas más pequeñas y más grandes del cosmos es sumamente inusual en física y sugiere que la energía oscura está profundamente ligada a la naturaleza cuántica del propio espacio-tiempo.
«Esto sugiere una conexión más profunda entre la gravedad cuántica y las propiedades dinámicas de la naturaleza que se suponían constantes», dijo Kavic. «Podría resultar que un error fundamental que tenemos es creer que las propiedades básicas que definen nuestro universo son estáticas, cuando en realidad no lo son».
Pruebas experimentales y perspectivas futuras
Si bien la explicación del equipo sobre la expansión acelerada del universo constituye un avance teórico significativo, se requieren pruebas experimentales independientes para confirmar su modelo. Los investigadores han propuesto métodos concretos para probar sus ideas.
Una línea de evidencia “implica la detección de patrones complicados de interferencia cuántica, lo cual es imposible en la física cuántica estándar pero debería ocurrir en la gravedad cuántica”, añadió Minic.
La interferencia se produce cuando ondas, como las de luz o materia, se superponen y se amplifican o cancelan mutuamente, creando patrones característicos. En la mecánica cuántica convencional, la interferencia sigue reglas bien entendidas, que suelen implicar dos o más trayectorias cuánticas posibles. Sin embargo, la interferencia de orden superior —predicha por algunos modelos de gravedad cuántica— sugiere interacciones más complejas que van más allá de estos patrones estándar. Detectar estos efectos en el laboratorio constituiría una prueba pionera de la gravedad cuántica.
“Se trata de experimentos de sobremesa que podrían llevarse a cabo en un futuro próximo, dentro de tres o cuatro años”.
«Nuestro enfoque de la gravedad cuántica tiene muchas implicaciones», declaró Djordje Minic, físico de Virginia Tech y coautor del artículo, en un correo electrónico. Una línea de evidencia «implica la detección de patrones complejos de interferencia cuántica, algo imposible en la física cuántica estándar, pero que debería ocurrir en la gravedad cuántica», añadió Minic.
La interferencia se produce cuando ondas, como las de luz o materia, se superponen y se amplifican o cancelan mutuamente, creando patrones característicos. En la mecánica cuántica convencional, la interferencia sigue reglas bien entendidas. Sin embargo, algunos modelos de gravedad cuántica sugieren interacciones más complejas que van más allá de estos patrones estándar. Detectar estos efectos en el laboratorio constituiría una prueba pionera de la gravedad cuántica.
“Se trata de experimentos de sobremesa que podrían llevarse a cabo en un futuro próximo, dentro de tres o cuatro años”.
Mientras tanto, los investigadores no esperan confirmaciones experimentales. Continúan perfeccionando su comprensión del espacio-tiempo cuántico, además de explorar nuevas vías para probar su teoría. Si se confirman, sus hallazgos marcarían un gran avance no sólo en la explicación de la energía oscura, sino también en el suministro de la primera evidencia tangible de la teoría de cuerdas, un objetivo largamente buscado en la física fundamental.
Fuente: Live Science.