Cuando quedó claro hace 20 años que la expansión del universo se estaba acelerando, los científicos presentaron una explicación completa, simple y comprobable. Pero a medida que llegaban más y más datos experimentales y de observación, la razón de la existencia de la energía oscura, presumiblemente la razón de esta aceleración, seguía siendo esquiva. Si bien es técnicamente equivalente a una "constante cosmológica" (o energía inherente al espacio mismo), no hay forma de inferir su valor. Pero si recordamos que colocar ciertas formas de materia en el espacio vacío cambia las fuerzas que actúan sobre esta materia, es posible que la energía oscura surja según un principio muy simple: porque la materia como tal existe en nuestro Universo.
Mapa de agrupamiento de galaxias en nuestro Universo. La presencia de estas estructuras puede explicar la presencia y el poder de la energía oscura en su totalidad.
La mayoría de fuerzas y fenómenos tienen orígenes que son fáciles de descubrir. Dos objetos masivos experimentan la fuerza de la gravedad debido al hecho de que el espacio-tiempo se deforma debido a la presencia de materia y energía. El universo se ha expandido porque tiene su propia historia de cambios en la densidad de energía en el universo y las condiciones iniciales para la expansión. Y todas las partículas en el Universo interactúan de cierta manera debido a las bien conocidas reglas de la teoría cuántica de campos y el intercambio de bosones vectoriales. Desde las partículas subatómicas más pequeñas hasta las escalas más grandes, las mismas fuerzas operan para impulsar los bosones y las galaxias.
La fuerte interacción que se produce debido a la presencia de "cambio de color" y el intercambio de gluones mantiene unidos los núcleos de los átomos.
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Incluso los fenómenos más misteriosos en su esencia contienen explicaciones que se comprenden bien. No sabemos por qué hay más materia que antimateria en el Universo, pero sí sabemos que se dan las condiciones que necesitamos para esto (violación del número bariónico, violación de C y CP). No sabemos cuál es la naturaleza de la materia oscura, pero se comprenden bien sus propiedades generales, dónde se encuentra y cómo se agrupa. Tampoco sabemos si los agujeros negros conservan información o no, pero entendemos el estado final e inicial de estos objetos, así como también cómo nacen y qué sucede con sus horizontes de eventos a lo largo del tiempo.
Una ilustración de un agujero negro y su entorno, un disco de acreción que se infla y acelera. Los estados inicial y final de los agujeros negros se pueden predecir bien incluso si la pérdida o el almacenamiento de información no es posible.
Pero hay una cosa que no entendemos en absoluto: la energía oscura. Por supuesto, podemos medir la aceleración del universo y comprender su magnitud con precisión. Pero, ¿por qué tenemos un universo con energía oscura distinta de cero? ¿Por qué el espacio vacío, en el que no hay nada, sin importar, sin curvatura, sin radiación, nada, tiene energía positiva distinta de cero? ¿Y por qué esta cantidad de energía, que era incomprensiblemente diminuta y completamente invisible durante los primeros mil millones de años de la historia del Universo, comenzó a capturar el Universo solo en el momento en que la Tierra apareció en él?
Una ilustración de un disco protoplanetario en el que se forman planetas y planetesimales, creando espacios en el disco. Hace cuatro o cinco mil millones de años, cuando se estaba formando nuestro sistema solar, la energía oscura comenzó a capturar simultáneamente la expansión del universo y la densidad de energía.
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Hay muchas cosas interesantes que podemos asociar con la energía oscura y el universo como un todo. Hay mucho espacio vacío que impregnan los campos cuánticos. No hay regiones en el Universo donde penetren fuerzas gravitacionales, electromagnéticas o nucleares; están en todos lados. Si intentamos calcular el llamado valor esperado de vacío (condensado) de varios campos cuánticos, encontraremos un número infinito de términos y solo podremos escribirlo aproximadamente. Siempre trataremos con valores aproximados. Y por lo que sabemos, no están equilibrados y el universo no se está desacelerando, en realidad se está acelerando. De alguna manera, el espacio en sí tiene un poco de energía distinta de cero. Y esta energía hace que las galaxias distantes del Universo se alejen de nosotros a una velocidad cada vez mayor,aunque lentamente, pero constantemente.
La pregunta "¿por qué?" nunca deja de atormentar a los teóricos. ¿Por qué el universo se expande cada vez más rápido? No podemos explicar la presencia de esta energía oscura en nada. Quizás tenemos poca comprensión del universo en sí. Sin embargo, hay otra opción, en la que rara vez se piensa: quizás esta propiedad del espacio vacío esté determinada por la presencia de otras cosas, como la materia, en el Universo.
Y hay una razón para creer que esto es posible, que se llama efecto Casimir. Lo conocemos bien.
Ilustración del efecto Casimir y cómo las fuerzas externas a las placas difieren de las fuerzas entre ellas
¿Cuál es la fuerza electromagnética del espacio vacío? Cero, por supuesto. En ausencia de cargas, corrientes y materia de interacción, será cero, no es broma. Pero si coloca dos placas de metal a una cierta distancia entre ellas y luego vuelve a preguntar cuál será la fuerza electromagnética, dejará de ser cero. Debido al hecho de que algunos modos de fluctuaciones cuánticas están prohibidos debido a los límites de la placa, no solo predecimos, sino que también medimos la fuerza no nula entre estas placas, que surge literalmente del espacio vacío. Y lo que es más interesante, todas las fuerzas, incluidas las fuerzas gravitacionales, exhiben el efecto Casimir.
Mapa de más de un millón de galaxias en el Universo; hay una galaxia separada en cada punto. Los diferentes colores representan distancias; rojo - más lejos
¿Qué sucede cuando tratamos de aplicar este efecto a todo el universo y calculamos el efecto? La respuesta es simple: obtenemos algo que corresponde de alguna forma a la energía oscura, solo que, nuevamente, de un orden diferente. Y esto puede deberse a que no sabemos por completo cuáles son las condiciones de frontera del Universo o cómo calcular correctamente el efecto gravitacional cuántico.
Hacer un mapa del universo puede ser la parte más sencilla. Es poco probable que esperemos a un avance observado o experimental que nos lleve a comprender la energía oscura, la fuerza más esquiva del universo. Es posible que necesitemos un avance teórico. Y, posiblemente, se asociará con un rastro de anomalía, un cambio en la magnitud dinámica o incluso un rastro de dimensiones adicionales. Recientemente hemos encontrado su secreto más difícil de explicar. Quizás la solución esté en la física que ya conocemos.
Ilya Khel
