Físicos descubren una nueva forma de resolver el extraño misterio de la energía oscura

¿Qué hay detrás de la energía oscura y qué la vincula con la constante cosmológica introducida por Albert Einstein? Dos físicos de la Universidad de Luxemburgo apuntan a una forma de responder a estas preguntas abiertas en física.

El universo tiene una serie de propiedades extrañas que son difíciles de entender a través de la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la materia que conocemos, que se compone de partículas elementales y compuestas de moléculas y materia, aparentemente constituye solo una pequeña parte de la energía del universo. La mayor contribución, alrededor de dos tercios, proviene deenergía oscura– una forma hipotética de energía cuyos antecedentes los físicos aún están desconcertados.Además, el universo no solo se está expandiendo de manera constante, sino que también lo está haciendo a un ritmo cada vez más rápido.

Parece que ambas propiedades están relacionadas, porque energía oscura También se considera un impulsor de la expansión acelerada. Además, puede unir dos poderosas escuelas de pensamiento de física: la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad desarrollada por Albert Einstein. Pero hay un problema: las cuentas y las notas están lejos de ser idénticas. Dos investigadores luxemburgueses muestran una nueva forma de resolver este misterio centenario en un artículo de investigación publicado por la revista Cartas de revisión física.

El efecto de las partículas virtuales en el vacío.

«El vacío tiene energía. Este es un resultado fundamental de la teoría cuántica de campos», explica el profesor Alexander Tkachenko, profesor de Física Teórica en el Departamento de Física y Ciencias de los Materiales de la Universidad de Luxemburgo. Esta teoría se desarrolló para combinar la mecánica cuántica y la relatividad especial, pero la teoría cuántica de campos parece ser incompatible con la relatividad general. Su principal ventaja: a diferencia de la mecánica cuántica, la teoría considera no solo partículas sino también esferas desprovistas de materia como objetos cuánticos.

“Dentro de este marco, muchos investigadores consideran que la energía oscura es una expresión de lo que se llama energía del vacío”, dice Tkatchenko, una cantidad física que resulta, en forma viva, de la aparición e interacción continua de pares de partículas y sus antipartículas, como como electrones y positrones, en lo que en realidad es espacio vacío.

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

Los físicos hablan de las idas y venidas de partículas virtuales y sus campos cuánticos como fluctuaciones en el vacío, o punto cero. A medida que los pares de partículas se desvanecen rápidamente en la nada, su presencia deja una cierta cantidad de energía.

El científico luxemburgués apunta que «esta energía del vacío también tiene un significado en la relatividad general»: «Se manifiesta en la constante cosmológica que Einstein incluyó en sus ecuaciones por razones físicas».

desajuste masivo

A diferencia de la energía del vacío, que solo puede deducirse de las ecuaciones 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. Por otro lado, los cálculos de energía oscura basados ​​en la teoría cuántica de campos conducen a resultados consistentes con el valor de la constante cosmológica siendo 10¹²⁰ veces mayor: una discrepancia colosal, aunque según la opinión predominante de los físicos de hoy, ambos valores deberían ser iguales. La contradicción que existe se conoce en cambio como el «enigma de la constante cosmológica».

“Es sin duda una de las mayores contradicciones de la ciencia moderna”, dice Alexander Tkachenko.

Forma no convencional de interpretación.

Junto con el investigador luxemburgués Dr. Dmitry Fedorov, ahora ha traído la solución a este misterio, que ha estado abierto durante décadas, un importante paso más cerca. En un trabajo teórico, recientemente publicaron sus resultados en Cartas de revisión físicaLos dos investigadores de Luxemburgo propusieron una nueva explicación para la energía oscura. Se supone que las fluctuaciones de punto cero dan como resultado una polarización de vacío, que puede medirse y calcularse.

“En pares de partículas virtuales de carga eléctrica opuesta, surgen de las fuerzas electrodinámicas que estas partículas ejercen entre sí durante su brevísimo tiempo de existencia”, explica Tkachenko. Los físicos se refieren a esto como un vacío que interactúa consigo mismo. «Conduce a una densidad de energía que se puede determinar con la ayuda de un nuevo modelo», dice el científico de Luxemburgo.

Junto con su colega de investigación Fedorov, desarrollaron el modelo fundamental de 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 las polarizaciones de los átomos y las propiedades de equilibrio. de algunas moléculas y sólidos no enlazados covalentemente. Dado que es muy fácil medir experimentalmente las propiedades geométricas, la polarización también se puede determinar mediante su fórmula.

“Transferimos este procedimiento a operaciones en el vacío”, explica Fedorov. Para ello, los dos investigadores observaron el comportamiento de los dominios cuánticos, en particular la representación del «ir y venir» de electrones y positrones. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por una geometría de equilibrio ya conocida a partir de experimentos. «Lo insertamos en las fórmulas de nuestro modelo, y de esta manera finalmente obtuvimos la fuerza de polarización del vacío interior», dice Fedorov.

Entonces, el paso final fue calcular mecánicamente la densidad de energía de la autointeracción entre las fluctuaciones de electrones y positrones. El resultado obtenido de esta manera está en buen acuerdo con los valores medidos de la constante cosmológica. Esto significa: «La energía oscura se remonta a la densidad de energía de la autointeracción de los campos cuánticos», afirma Alexander Tkachenko.

Valores consistentes y expectativas verificables

«Nuestro trabajo ofrece un enfoque elegante y poco convencional para resolver el misterio de la constante cosmológica», concluye el físico. «Además, proporciona una predicción verificable: a saber, que los campos cuánticos como los de los electrones y los positrones poseen una polarización intrínseca pequeña pero siempre presente».

Este hallazgo señala el camino para que futuros experimentos detecten esta polarización también en el laboratorio, dicen los dos investigadores con sede en Luxemburgo. «Nuestro objetivo es obtener la constante cosmológica a partir de un enfoque riguroso de la teoría cuántica», afirma Dmitry Fedorov. «Y nuestro trabajo incluye una receta sobre cómo realizar eso».

Él ve los nuevos resultados obtenidos con Alexander Tkachenko como el primer paso hacia una mejor comprensión de la energía oscura y su relación con la constante cosmológica de Albert Einstein.

Finalmente, Tkatchenko está convencido: «En última instancia, esto también puede arrojar luz sobre la forma en que la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad se entrelazan como dos formas de ver el universo y sus componentes».

Referencia: «Densidad de energía de autointeracción de Casimir en campos electrodinámicos cuánticos» por Alexander Tkachenko y Dmitry V. Fedorov, 24 de enero de 2023 Disponible aquí. Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601