¿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 estas preguntas abiertas en física.

El universo tiene una serie de propiedades extrañas que son difíciles de entender a partir de la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la materia que conocemos, que consiste en partículas elementales y compuestas que construyen moléculas y materiales, aparentemente constituye solo una pequeña parte de la energía del universo. La mayor contribución, alrededor de dos tercios, proviene de “energía oscura” – una forma hipotética de energía cuyos antecedentes los físicos todavía están desconcertados. Además, el universo no solo está en constante expansión, sino también a un ritmo cada vez mayor.

Ambas características parecen estar conectadas, porque energía oscura también se considera un impulsor de la expansión acelerada. Además, podría unir dos poderosas escuelas físicas de pensamiento: la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad desarrollada por Albert Einstein. Pero hay un problema: los cálculos y las observaciones hasta ahora están lejos de coincidir. Ahora, dos investigadores de Luxemburgo han mostrado una nueva forma de resolver este acertijo de 100 años en un artículo publicado por la revista cartas de revisión física.

El rastro de partículas virtuales en el vacío

“El vacío tiene energía. Este es un resultado fundamental de la teoría cuántica de campos”, explica el Prof. Alexandre Tkatchenko, profesor de Física Teórica en el Departamento de Física y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Luxemburgo. Esta teoría se desarrolló para unir la mecánica cuántica y la relatividad especial, pero la teoría cuántica de campos parece ser incompatible con la relatividad general. Su característica esencial: a diferencia de la mecánica cuántica, la teoría considera no solo partículas sino también campos libres de materia como objetos cuánticos.

“En este marco, muchos investigadores consideran la energía oscura como una expresión de la llamada energía del vacío”, dice Tkatchenko: una cantidad física que, en una imagen vívida, es causada por una constante aparición e interacción de pares de partículas y sus antipartículas. – como electrones y positrones – en lo que en realidad es espacio vacío.

Fondo cósmico de microondas visto por Planck. Crédito: ESA y Planck Collaboration

Los físicos hablan de este ir y venir de partículas virtuales y sus campos cuánticos como fluctuaciones de vacío o de punto cero. A medida que los pares de partículas desaparecen rápidamente en la nada nuevamente, su existencia deja una cierta cantidad de energía.

“Esta energía del vacío también tiene un significado en la relatividad general”, observa el científico luxemburgués: “Se manifiesta en la constante cosmológica que Einstein incluyó en sus ecuaciones por razones físicas”.

Un desajuste colosal

A diferencia de la energía del vacío, 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 producido valores cercanos y confiables para la cantidad física fundamental. Los cálculos de energía oscura basados ​​en la teoría cuántica de campos, por otro lado, producen resultados que corresponden a un valor de la constante cosmológica que es de hasta 10¹²⁰ veces mayor: una discrepancia colosal, aunque en la cosmovisión de los físicos que prevalece hoy, ambos valores deberían ser iguales. La discrepancia encontrada se conoce como el “enigma de la constante cosmológica”.

“Es, sin duda, una de las mayores inconsistencias de la ciencia moderna”, dice Alexandre Tkatchenko.

Forma no convencional de interpretación.

Junto con su colega de investigación luxemburgués, el Dr. Dmitry Fedorov, ahora ha traído la solución a este rompecabezas, que ha estado abierto durante décadas, un paso significativo más cerca. En un trabajo teórico, cuyos resultados se han publicado recientemente en cartas de revisión física, 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 se puede medir y calcular.

“En pares de partículas virtuales con carga eléctrica opuesta, 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 autointeracción en el vacío. “Esto 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, desarrollaron el modelo básico para los átomos hace unos años y lo presentaron por primera vez en 2018. El modelo se usó originalmente para describir las propiedades atómicas, en particular la relación entre la polarizabilidad de los átomos y las propiedades. de equilibrio de ciertas moléculas y sólidos no enlazados covalentemente. Como las características geométricas son bastante fáciles de medir experimentalmente, la polarizabilidad también se puede determinar a través de su fórmula.

“Transferimos este procedimiento a procesos en el vacío”, explica Fedorov. Para ello, los dos investigadores analizaron el comportamiento de los campos cuánticos, en particular los que representan el “ir y venir” de electrones y positrones. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por una geometría de equilibrio que ya se conoce de los experimentos. “Lo insertamos en las fórmulas de nuestro modelo y, de esta manera, finalmente obtuvimos la fuerza de polarización intrínseca del vacío”, informa Fedorov.

El último paso fue entonces calcular mecánicamente la densidad de energía de la autointeracción entre las fluctuaciones de electrones y positrones. El resultado así obtenido concuerda bien con los valores medidos para la constante cosmológica. Esto significa: «La energía oscura se remonta a la densidad de energía de los campos cuánticos que interactúan entre sí», enfatiza Alexandre Tkatchenko.

Valores consistentes y predicciones 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, tienen una polarización intrínseca pequeña pero siempre presente».

Este descubrimiento señala el camino para que futuros experimentos detecten esta polarización también en el laboratorio, dicen los dos investigadores luxemburgueses. “Nuestro objetivo es derivar la constante cosmológica a partir de un riguroso enfoque teórico cuántico”, enfatiza Dmitry Fedorov. “Y nuestro trabajo contiene una receta sobre cómo lograr esto”.

Él ve los nuevos resultados obtenidos junto con Alexandre Tkatchenko como el primer paso hacia una mejor comprensión de la energía oscura y su vínculo con la constante cosmológica de Albert Einstein.

Finalmente, Tkatchenko está convencido: «Al final, esto también puede arrojar luz sobre la forma en que la teoría del campo cuántico y la teoría de la relatividad general se entrelazan como dos formas de ver el universo y sus componentes».

Referencia: «Densidad de energía de autointeracción de Casimir de campos electrodinámicos cuánticos» por Alexandre Tkatchenko y Dmitry V. Fedorov, 24 de enero de 2023, cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601