Einstein, la gravedad y el universo

La evidencia es clara y contundente. El universo comenzó en una gran explosión hace 14 mil millones de años. Todas las galaxias que vemos se alejan unas de otras, por lo que vemos que el universo se está expandiendo cada vez más y más rápido. ¿Por qué sucede tan extraño proceder cósmico? Muchos astrofísicos atribuyen esto a la presencia de un campo de energía oscura misteriosa, que no se ve y que todavía no se sabe de dónde salió. Para tratar de entender esto hay muchos modelos teóricos compitiendo entre sí. Veremos hoy algunos de los más interesantes.

La primera explicación que vino a la mente de los físicos fue que la expansión acelerada se debía a la energía propia del vacío que postula la Mecánica Cuántica. De acuerdo al principio de incertidumbre no puede existir un espacio totalmente vacío sin energía ni materia pues eso equivaldría a tener una energía exactamente igual a cero sin ninguna duda. Como el conocer el valor exacto de una cantidad física como la energía está prohibido por ley, la mecánica cuántica postula que en todas partes del espacio se crean pares de partículas y anti-partículas virtuales de la "nada" (porque la "nada" tiene que tener algo de energía aunque la coja prestada del pasado). A esta energía residual del vacío se le conoce como energía del punto cero. Este concepto suena totalmente loco y absurdo pero se puede comprobar con mediciones precisas del llamado Efecto de Casimir. Además la teoría de Campos Cuánticos que postula estas ideas es la teoría de la física más exacta y avanzada que haya creado la humanidad.

Pero hay un pequeño problemita con esta hipótesis. Cuando uno usa la teoría de campos cuánticos para calcular cuanta energía del punto cero debería de haber en un universo del tamaño del nuestro con la densidad de materia que vemos sale que la energía del punto cero es DEMASIADO GRANDE. De tal manera que si esa fuese la fuente de la energía oscura el universo se hubiese expandido tan y tan rápido que se hubiese desbaratado en los primeros microsegundos luego del Big Bang. El estimado de la Mecánica Cuántica convencional falla por un factor de 10¹²⁰. Un error de cálculo horrendamente grande aún para un astrofísico teórico. Generalmente en mecánica cuántica estos resultados exageradamente malos se curan con algún proceso complementario que cancele el efecto que debiera de ser grande pero que obviamente no lo es (porque no se ve). Pero aquí este truco teórico no funcionará porque no se puede cancelar toda la energía. Habría que inventarse otro campo o interacción cuántica que produzca una energía tan barbáricamente grande, pero no exactamente igual, para que quede el relativamente pequeño remanente de energía oscura que está acelerando la expansión del universo. Nadie tiene aún ni la menor idea de cómo lograr tal hazaña de prestidigitación matemática.

Otra idea la inventó nuestro héroe, Albert Einstein, al crear su Teoría General de la Relatividad. Einstein tenía como meta el crear una teoría de la fuerza de gravedad donde ésta se propagara causalmente a la velocidad de la luz y donde cualquier observador, no importa donde estuviese o cuán rápido se estuviera moviendo relativo a otras cosas, pudiera describir todo lo que se ve en el cosmos con las mismas leyes de la física que todos los demás observadores. La teoría resultante dice que el espaciotiempo vacío es una cosa maleable que se puede doblar y curvear dependiendo de la materia que contenga. Pero acabando de formular su teoría en 1916 Einstein se dio cuenta de que en un universo donde su teoría fuese cierta el universo al doblarse por la materia que contiene no puede ser ni inmóvil, ni eterno, ni infinito. Pero desde el éxito de la mecánica Newtoniana se creía que así tenía que ser el universo. Un espacio eterno, infinito y donde las estrellas y los planetas habían estado ahí quietecitos por siempre. O si no las fuerzas atractivas de la gravedad harían que todo colapsara a un punto. Einstein en 1916 creía que así tenía que ser el universo y empezó a dudar de su propia teoría y las consecuencias a las que llevaba. Pero como su teoría era tan hermosa y él había trabajado en ella por más de 11 años sin parar (lo que eventualmente afectó su salud, y le costó su primer matrimonio y la custodia de sus hijos), Einstein buscó una manera de cómo salvar su teoría. Usando las simetrías matemáticas de su ecuación original añadió un término adicional que conservara la energía y las propiedades relativistas de la teoría, pero que proveyera de una "fuerza de anti-gravedad" en la misma estructura del espacio y el tiempo que contrarrestara la curvatura gravitatoria de la materia que contiene el universo. A ese término repulsivo le puso el nombre de la constante cosmológica. Cuando en 1931, Edwin Hubble demostró con su estudio sistemático del movimiento de las galaxias que el universo se estaba expandiendo, Einstein aceptó que su teoría original había estado correcta y llamó a la introducción metafísica de la constante cosmológica "el peor error de su vida."

Así que una de las ideas para explicar la misteriosa energía oscura que acabamos de descubrir es postular que hasta cuando metió las patas Einstein era tan genial que su término de la constante cosmológica resultó a la larga que era correcto. Aunque esto es una explicación a medias porque no explica porque la supuesta constante cosmológica es del tamaño justo para que el universo no se expanda demasiado de rápidamente, y permita la formación de galaxias, estrellas, planetas, seres vivos y astrónomos que se pregunten estas cosas. Para eso hay que entrar a las ideas del principio antrópico que hemos cubierto en entradas anteriores del blog.

Otra de las ideas que andan dando vueltas en las discusiones de los físicos y cosmólogos es la de que la Relatividad General "plain" original de Einstein es la correcta, y que el universo está lleno de un campo cuántico escalar con la propiedad de que ahora tiene la densidad necesaria como para servir de energía oscura. A este campo de energía cósmico se le conoce en los círculos astrofísicos como quintaesencia. El nombre viene de la idea griega antigua de Aristóteles de que la Tierra estaba hecha de cuatro elementos (agua, aire, tierra y fuego) y que el cielo estaba hecho de un quinto elemento etéreo diferente a los de la tierra. Hay otra gente que postula que no existe ninguna energía oscura nada y que hay que modificar la fuerza de gravedad a distancias cosmológicas o permitir variación de constantes de la naturaleza como la constante gravitacional de Newton (G) o la velocidad de la luz (c).

Modelos y explicaciones teóricas tenemos de más. Lo que necesitamos es data más precisa para poder botar las hipótesis que no concuerden con la realidad, que es la esencia del método científico.

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