¿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 muestran la forma de responder a estas preguntas abiertas de la física.

El universo tiene una serie de propiedades extrañas que son difíciles de entender con la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la materia que conocemos, que consiste en partículas elementales y compuestas que forman moléculas y materiales, aparentemente representa solo una pequeña parte de la energía del universo. La mayor contribución, alrededor de dos tercios, proviene deenergía oscura«- una forma hipotética de energía que los físicos de fondo todavía están perplejos. Además, el universo no solo se expande constantemente, sino también a un ritmo cada vez mayor.

Las dos características parecen estar relacionadas, porque energía oscura también es visto como un motor de expansión acelerada. Además, podría unir dos poderosas escuelas de pensamiento físico: la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad desarrollada por Albert Einstein. Pero hay una trampa: los cálculos y las observaciones hasta ahora están lejos de coincidir. Dos investigadores luxemburgueses han mostrado una nueva forma de resolver este rompecabezas de 100 años en un artículo publicado por la revista Cartas de exploración 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 profesor 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 incompatible con la relatividad general. Su característica esencial: a diferencia de la mecánica cuántica, la teoría considera como objetos cuánticos no sólo partículas sino también campos sin materia.

«En este marco, muchos investigadores consideran que la energía oscura es una expresión de la llamada energía del vacío», dice Tkatchenko: una cantidad física que, en una imagen viva, es causada por constantes de emergencia e interacción de pares de partículas y sus antipartículas. . – como los electrones y los positrones – en lo que efectivamente es espacio vacío.

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

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

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

Un cambio 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 dado valores cercanos y confiables para la cantidad física fundamental. Los cálculos de energía oscura basados ​​en la teoría cuántica de campos, por otro lado, dan resultados que corresponden a un valor de la constante cosmológica de hasta 10¹²⁰ veces más grande: una brecha colosal, aunque en la visión del mundo de los físicos que prevalece hoy, los dos valores deberían ser iguales. La discrepancia encontrada en cambio se conoce como el «Acertijo de la constante cosmológica».

«Esta es, sin duda, una de las mayores inconsistencias de la ciencia moderna», dijo Alexander Tkatchenko.

Modo no convencional de interpretación

Junto con su colega de investigación de Luxemburgo, el Dr. Dmitry Fedorov, ahora ha traído la solución a este rompecabezas que ha estado abierto durante décadas, un paso más cerca de la solución. En un trabajo teórico cuyos resultados publicaron recientemente en Cartas de exploración física, los dos investigadores luxemburgueses ofrecen 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 de carga eléctrica opuesta, resulta de las fuerzas electrodinámicas que estas partículas ejercen entre sí durante su extremadamente corta existencia», dice Tkatchenko. Los físicos llaman a este vacío autointeracción. «Esto conduce a una densidad de energía que se puede determinar utilizando un nuevo modelo», explica 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 unidos covalentemente. Dado que 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», dice Fedorov. Para ello, los dos investigadores observaron el comportamiento de los campos cuánticos, que representan en particular el “ir y venir” de electrones y positrones. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por una geometría de equilibrio ya conocida experimentalmente. “Lo insertamos en las fórmulas de nuestro modelo y así finalmente obtuvimos la fuerza de la polarización intrínseca del vacío”, informa Fedorov.

El último paso consistió entonces en calcular en mecánica cuántica 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 puede atribuir a la densidad de energía de la autointeracción de los campos cuánticos», enfatiza Alexander Tkatchenko.

Valores constantes y pronósticos 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 comprobable: a saber, que los campos cuánticos como los de los electrones y los positrones poseen una polarización intrínseca pequeña pero siempre presente».

Este descubrimiento allana el camino para futuros experimentos para detectar 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 lograrlo».

Él ve los nuevos resultados obtenidos con Alexander 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: «En última instancia, también podría arrojar luz sobre cómo 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 de campos electrodinámicos cuánticos» por Alexandre Tkatchenko y Dmitry V. Fedorov, 24 de enero de 2023, Cartas de exploración física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601