Energía oscura para torpes (o dark energy for dummies)

¿Quieres saber lo que es la energía oscura y nunca te atreviste a preguntarlo? Todo lo que necesitas saber sobre la energía oscura lo encontrarás en una exposición muy pedagógica sobre la física de la aceleración de la expansión del universo observada con supernovas Ia que puedes encontrar gratis (aunque en inglés) en M. Sami, “A primer on problems and prospects of dark energy,” CURRENT SCIENCE 97: 887-910, 25 SEPTEMBER 2009. Si eres estudiante de física de primer curso, o quieres serlo, disfrutarás del esfuerzo de leer en inglés. A los demás, lo siento, incluye fórmulas, muy elementales, pero haberlas hailas.

El secreto de la energía oscura podría estar en el Modelo Estándar escondido tras el “fantasma de Veneziano”

Si quieres que te toque la lotería tienes que apostar. En ciencia, los grandes avances requieren hipótesis arriesgadas. ¿Qué es la energía oscura? Nadie lo sabe, aunque hay multitud de hipótesis. Sólo los experimentos decidirán cuál es la correcta. ¿Puede explicarse la energía oscura utilizando el Modelo Estándar? Urban y Zhitnitsky han observado que el lagrangiano quiral de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de los quarks, embebido en un espaciotiempo curvo, genera una densidad de energía del vacío que se puede interpretar como un término cosmológico pequeñísimo, pero suficiente para forzar la aceleración de la expansión del universo que se ha observado con supernovas tipo Ia. La unión de gravedad y QCD conduce de forma natural a la energía oscura. El mayor problema de esta propuesta, por lo demás, técnicamente muy ingeniosa pero sencilla, es que conduce a una ecuación de estado para la energía oscura con w=-0.75, cuando los experimentos favorecen un valor más próximo a w=-1. Sorprendentemente, la evolución del parámetro de Hubble no es muy sensible a este valor y se reproduce muy bien su evolución observada experimentalmente. El artículo técnico es Federico R. Urban, Ariel R. Zhitnitsky, “The QCD nature of Dark Energy,” ArXiv, Submitted on 14 Sep 2009, secuela de los dos anteriores “The cosmological constant from the Veneziano ghost which solves the U(1) problem in QCD,” ArXiv, Submitted on 11 Jun 2009, y “The cosmological constant from the ghost. A toy model,” ArXiv, Submitted on 11 Jun 2009 [publicado en Phys.Rev.D 80: 063001, 2009].

El secreto de la energía oscura se encuentra en el campo fantasma de Veneziano. ¿Qué es eso? Muchas teorías cuánticas de campos presentan partículas y campos que no son físicos, que se denominan “fantasmas” (ghosts). Cuando se une la gravedad a una teoría cuántica de campos, como es el caso en el artículo que estamos comentando, es habitual que aparezcan partículas fantasmas en la versión clásica de la teoría, previa a su versión cuántica. Como estos fantasmas son considerados no físicos (unphysical) normalmente se busca un procedimiento de cuantización que los elimine en la versión cuántica de la teoría. Sin embargo, Urban y Zhitnitsky han considerado sus efectos físicos si no fuesen eliminados. ¿Fantasma de Veneziano? Bueno, los autores no han considerado la QCD completa sino una versión aproximada a baja energía de dicha teoría desarrollada por Veneziano (uno de los creadores de las primeras teorías de cuerdas a finales de los 1960, época en que se usaban para explicar la fuerza nuclear fuerte, cuando todavía no se había desarrollado la QCD). El análisis de dicha teoría efectiva en un universo curvo conduce a la aparición del campo fantasma de Veneziano.

Por supuesto, el trabajo de Urban y Zhitnitsky es un modelo muy sencillo, casi de juguete (toy model). La teoría correcta debería considerar la QCD completa (en 3+1 dimensiones o 4D) inmersa en un espaciotiempo curvo, es decir, acoplada con la gravedad. Analizar esta teoría completa no parece fácil. Según los autores del estudio, la contribución del fantasma de Veneziano tiene características únicas que hacen pensar que seguirá actuando de la misma forma cuando se extienda el análisis al caso más realista de la QCD en 4D. Ellos afirman que este campo sin masa está protegido y sobrevivirá en dicho caso. Además, afirman que es el único campo lineal sensible a la topología global del espaciotiempo que se espera observar en el acomplamiento de la QCD 4D con un campo gravitatorio (espaciotiempo curvo).

Por supuesto, todo esto no es más que una hipótesis. Demasiado buena para ser verdad. Lo más razonable para los próximos meses (años) es la confirmación del resultado obtenido en el modelo de juguete utilizando métodos numéricos (QCD en redes o lattice QCD). Si se obtuviera, sería un fuerte acicate para que los teóricos dediquen sus esfuerzos al fantasma de Veneziano en la QCD 4D. Si no se obtuviera, todo quedaría en una hipótesis más en el pajar de las hipótesis para explicar la energía oscura. ¿Quién encontrará la aguja en dicho pajar?

La energía oscura como resultado de las ondas gravitatorias de la inflación primordial

Explicar la energía oscura es un gran problema. ¿Se requiere nueva física para explicarla? No necesariamente. Un nuevo artículo muestra que la ecuación de estado de la energía oscura podría ser el resultado de ondas gravitatorias primordiales producidas durante la fase inflacionaria en los primeros instantes de la Gran Explosión. Los autores estudian la retroalimentación (backreaction) de las perturbaciones tensoriales (ondas gravitatorias) de un universo estándar tipo Friedmann-LeMaître-Robertson-Walker (FLRW) y muestran que actúan acelerando el universo con una ecuación de estado similar a la obtenida al añadir una constante cosmológica. En concreto la ecuación de estado de la energía oscura pasa de un valor w_E=1/3 en la época dominada por la radiación a un valor w_E=-8/9 en la época dominada por la materia (cercano al valor w_E=-1 que se obtiene con la constante cosmológica y compatible con todos los límites experimentales actuales, como muestra la figura de la izquierda). El artículo técnico es I. A. Brown, L. Schrempp, K. Ananda, “Accelerating the Universe with Gravitational Waves,” ArXiv, Submitted on 10 Sep 2009.

No todo es maravilloso en la nueva propuesta, ya que la densidad de energía oscura que se obtiene es varios órdenes de magnitud menor que la que se observa experimentalmente. El análisis todavía es muy provisional y los autores creen que estudios posteriores podrán determinar si existe algún mecanismo de amplificación de esta densidad de energía oscura hasta alcanzar los valores que se observan experimentalmente. El 73% del universo parece ser energía oscura, por lo que hay que amplificar muchísimo las ondas gravitatorias primordiales para alcanzar un valor tan enorme. Aún así, a mí, que no soy experto, me parece un gran éxito que un modelo tan sencillo conduzca a la ecuación de estado correcta. Habrá que estar al tanto de futuros avances en esta línea.

La Mula Francis lo ha dicho en reiteradas ocasiones en este blog. Que hace 10 años pasáramos de entender muy bien el 100% el universo (materia + materia oscura) a ignorar el 73% (ni idea de lo que es la energía oscura ni qué la causa) ha sido un duro golpe para todos. Me recuerda, salvando las distancias, al caso del éter para las ondas electromagnéticas. Más de medio siglo buscando el éter, cuyas propiedades eran muy antiintuitivas, hasta que Michelson y Morley observaron experimentalmente que no había pruebas de su existencia (hasta entonces todo el mundo consideraba obvio su existencia ya que era y es obvio que las ondas electromagnéticas, propagarse, se propagan). Finalmente, el concepto fue desterrado y ya nadie se acuerda de él. ¿Pasará lo mismo con la energía oscura? A mí así me lo parece. La explicación más sencilla de la energía oscura es una constante cosmológica con un valor de 10^-120 en unidades de la escala de Planck, aunque tendría que tener un valor del orden de 1 en unidades de Planck según las cuentas de los físicos teóricos en cosmología y partículas elementales. Un error “garrafal” de 120 órdenes de magnitud parece muy garrafal. Digo yo. Dice la Mula Francis, que no es experto en estas lides.

Nueva solución de las ecuaciones de Einstein explica la aceleración del universo sin necesidad de energía oscura

La energía oscura resuelve un problema, la aceleración de la expansión del universo observada con supernovas Ia, pero introduce otro problema, ¿qué es la energía oscura? Dos especialistas en obtener soluciones de las ecuaciones de Einstein, los físicos norteamericanos Blake Temple y Joel Smoller, han encontrado una nueva solución cosmológica de las ecuaciones de Einstein para la época de la radiación tras la Gran Explosión (hasta los 300.000 años) que presenta una expansión acelerada “natural” sin necesidad de energía oscura. La solución incluye un parámetro a que para a<1 produce desaceleración y para a>1 produce aceleración. Si la energía oscura existe debe ser a=1, pero entonces hay que explicar por qué en el Big Bang apareció un universo con a exactamente igual a 1. O tenemos una solución de la aceleración del universo sin energía oscura o tenemos un nuevo problema cosmológico, cómo explicar que a=1. El artículo técnico es Blake Temple, Joel Smoller, “Expanding wave solutions of the Einstein equations that induce an anomalous acceleration into the Standard Model of Cosmology,” PNAS , Published online before print August 17, 2009 (versión gratis, ucdavis.edu). FAQ de Temple o todo lo que querrías preguntarle sobre la nueva solución (muy interesante).

Los investigadores han encontrado una solución exacta parametrizada de las ecuaciones cosmológicas de Einstein que generaliza a la solución para el espaciotiempo de Fiedmann–Robertson–Walker (FRW). La solución se puede interpretar como una perturbación de dicha solución. Los autores parten de las ecuaciones cosmológicas de Einstein con simetría esférica en coordenadas estándares de Schwarzchild, bajo la hipótesis usual de un medio que cumple p = ρ c²/3, que logran reducir a un nuevo sistema de 3 ecuaciones diferenciales ordinarias, para el que obtienen una familia biparamétrica de soluciones exactas (un parámetro de escalado temporal y un parámetro de aceleración). Bajo la hipótesis de solución autosemejante, la nueva solución se reduce a una onda expansiva uniparamétrica que parte de la época de la radiación tras la Gran Explosión. El parámetro de aceleración, a, da cuenta de cualquier aceleración observada en la expansión del universo FRW. La nueva solución explica la aceleración (anómala) observada en la expansión del universo gracias a la observación de supernovas Ia en galaxias lejanas. Esta explicación tiene la ventaja de que no requiere la “magia” de la energía oscura y está dentro del formalismo matemático de la relatividad general sin ninguna hipótesis ad hoc adicional.

¿Tiene algún problema esta nueva solución del problema de la energía oscura? Sí, la nueva solución cosmológica con a>1 viola el Principio de Copérnico ya que tiene un centro de expansión que debería coincidir (aproximadamente) con la posición de la Tierra. ¿Un gran problema para la llamada “teoría de la onda expansiva”? Quizás sí. El Principio de Copérnico (la Tierra no está en el centro del universo) es uno de los Santos Griales de la Cosmología contemporánea y cualquier intento de atacarlo es “castigado” con las críticas de los cosmólogos más ortodoxos. Aunque eso sí, las críticas tendrán que ir acompañadas de alguna razón por la cual tras la Gran Explosión el parámetro de aceleración adquirió el valor a=1.

Como es habitual en ciencia, toda respuesta va acompañada de un nuevo problema.

No es posible observar la energía oscura utilizando diodos superconductores tipo Josephson

Christian Beck y Michael C. Mackey propusieron en 2004 que la energía oscura podía ser medida en laboratorio. Más aún, había sido medida en laboratorio como fluctuaciones en el punto cero en diodos superconductores tipo Josephson. Publicaron el artículo en Physics Letters B. Muchos han criticado su trabajo como un sinsentido. Sin embargo, también ha tenido sus defensores. El último artículo de Vincenzo Branchina et al. pretende ser la respuesta definitiva al asunto. No es posible medir la energía oscura en laboratorio mediante este tipo de dispositivos. Sus argumentos son claros y rotundos. ¿Serán los definitivos? Sólo el tiempo lo dirá. El artículo técnico es Vincenzo Branchina, Marco Di Liberto, Ivano Lodato, “Dark energy and Josephson junctions,” ArXiv, Submitted on 16 Jul 2009, siendo el artículo original Christian Beck, Michael C. Mackey, “Could dark energy be measured in the lab?,” Phys.Lett. B 605: 295-300, 2005 (ArXiv preprint). Según su interpretación, la energía oscura ya fue observada en el experimento de R.H. Koch, D. van Harlingen and J. Clarke, “Measurements of quantum noise in resistively shunted Josephson junctions,” Phys. Rev. B 26: 74-87, 1982.

El argumento de Branchina et al. es sencillo, los investigadores que se toman en serio el trabajo de Beck-Mackey están interpretando mal el origen de las fluctuaciones de punto cero en el espectro de potencia del ruido en la corriente de diodos tipo Josephson acoplada a una resistencia. Un análisis sencillo permite interpretar este fenómeno sin recurrir a ningún fenómeno exótico (sea la energía oscura o cualquier otro). Su análisis muestra que, no solo nunca ha sido observada la energía oscura en este tipo de experimentos, sino que nunca podrá ser observada por este medio. Muchos ya lo habían afirmado, incluso publicado, como Philippe Jetzer, Norbert Straumann, “Josephson junctions and dark energy,” Phys.Lett. B 639:  57-58, 2006 (ArXiv preprint).

Todo esto me recuerda que muchos editores de revistas internacionales publican artículos polémicos, en el borde de los pseudocientífico, con el objetivo de que sean altamente criticados y altamente citados. ¿Buscando citas e índice de impacto? No sé me ocurre otra explicación.

A los mass media (p.ej. Malén Ruiz de Elvira, “El cosmos en el laboratorio,” El País, 12/03/2008) y a los blogs de divulgación científica nos encantan este tipo de noticias. Amigo lector, incluso Francis cae en este tipo de trampas muchas veces. Una visión crítica por parte del lector, siempre bienvenida, es fundamental.

La gravedad cuántica como solución para la materia oscura y la energía oscura

El límite clásico de una teoría cuántica de la gravedad permite calcular correcciones a las teorías de Newton y Einstein para la gravedad a escala macroscópica. La corrección más sencilla explica la materia oscura y minimiza los efectos de la energía oscura. Así lo ha demostrado Alexandre Deur utilizando simulaciones de Montecarlo para resolver la interacción gravitón-gravitón utilizando la aproximación de campo débil. Un resultado sorprendente que ha recibido poca atención por parte de los especialistas, quizás por estar publicado en Physics Letters B en lugar de en Physical Review Letters. El artículo técnico es A. Deur, “Implications of graviton–graviton interaction to dark matter,” PLB 676: 21-24, 1 June 2009 (ArXiv version). Por cierto, por si no lo sabes, muchos (yo me incluyo) de los que envían artículos a PRL si reciben un rechazo los envían a PLA o PLB donde normalmente se publican mucho más fácilmente.

Como la constante de acomplamiento de la gravedad es muy pequeña (porque la gravedad es una fuerza muy débil) uno espera que las correcciones de segundo orden serán extremadamente pequeñas. Pero no es así. De hecho, en una teoría cuántica de la gravedad son las responsables de la corrección de la fuerza inversa al cuadrado de Newton introducida por la teoría de Einstein, que explica el corrimiento del perihelio de Mercurio. De hecho, entre dos masas el potencial gravitatorio queda como . Este cálculo requiere que la gravedad sea débil ya que en el caso de que sea fuerte el resultado diverge (es infinito).

¿Cómo afectarán las correcciones cuánticas al comportamiento de galaxias? Deur las llama correcciones “no abelianas” versus a las correcciones “abelianas” que habían sido consideradas previamente, parafraseando a la cromodinámica cuántica versus la electrodinámica cuántica. Estas correcciones hay que calcularlas utilizando métodos numéricos aplicados a la expansión de la acción de Einstein-Hilbert en serie de potencias en función del acoplamiento. Si la distribución de masa es perfectamente esférica, estas correcciones son muy pequeñas. Pero cuando la distribución de masa es anisotrópica (como en una galaxia, básicamente plana) pueden ser importantes. El resultado numérico para evaluar el propagador de Feynman (función de Green) a utilizar en los diagramas de Feynman entre gravitones presenta un término nuevo, de tipo logarítmico.

La figura que abre esta entradaa es uno de los 6 ejemplos de curvas de velocidad radial de estrellas en galaxias en función de su radio y muestra el buen acuerdo entre la nueva teoría y los resultados experimentales. También se observa buen acuerdo en el caso de galaxias enanas (figura 4 del artículo). Muy interesante es el hecho de que la nueva teoría permite explicar la relación experimental de Tully-Fisher (hasta ahora sin explicación teórica en el modelo de materia oscura basado en partículas elementales supersimétricas y difícil de explicar en otras teorías como MOND).

La nueva teoría predice nuevos resultados que podrán ser verificados/refutados experimentalmente: (1) las curvas de velocidad estelar para galaxias esféricas serán más próximas a las curvas newtonianas que para galaxias elípticas; (2) dos galaxias espirales interactuarán más débilmente que dos galaxias esféricas; (3) el potencial gravitatoria se volverá aproximadamente lineal en clústeres de galaxias ralos; y (4) los modelos de formación galáctica, que actualmente utilizan y requieren materia oscura, conducirán a resultados ligeramente diferentes con la nueva teoría.

¿Cómo afecta el nuevo resultado a la energía oscura? Como el universo está en expansión, la diferencia entre la fuerza gravitatoria “no abeliana” y la usual (“abeliana”) se puede interpretar como un efecto gravitatorio repulsivo, que sería responsable de gran parte de la aceleración del universo actualmente observada en los experimentos con supernovas tipo Ia. La nueva teoría no parece explicar toda la energía oscura pero si reduce enormemente su valor para explicar la aceleración actual de la expansión del universo.

Cuando un artículo ofrece una explicación sencilla (la interacción gravitón-gravitón) para explicar hechos experimentales como la materia oscura y la energía oscura uno ha de quitarse el sombrero. Un gran trabajo de Deur, sin lugar a dudas. Al final, si se confirma esta nueva explicación, una de las grandes utilidades del LHC del CERN, encontrar las partículas de materia oscura se puede quedar en agua de borrajas.

PS (26 junio 2009): Es curioso que nadie haya hecho el comentario que yo esperaba. Pero ¿hay una teoría cuántica de la gravedad? La respuesta es sencilla. Sí la hay. Aplicar la mecánica cuántica a la gravedad es fácil y ya lo hizo hace muchos años Bryce S. DeWitt. El problema es que la teoría resultante no es aplicable a la escala de Planck (donde todo el mundo espera que sea aplicable) porque allí aparecen ciertos “grandes” problemas técnicos. Pero para escalas muy inferiores a la de Planck, la teoría cuántica de la gravedad es perfectamente consistente. Los interesados en más detalles pueden consultar, por ejemplo, A. Strominger, “Is there a Quantum Theory of Gravity?,” in “Quantum Theory of Gravity: Essays in honor of the 60th birthday of Bryce S. DeWitt,” edited by Bryce S. DeWitt, Published by Adam Hilger Ltd., Bristol, England, 1984., p.210 (los interesados podrán localizar una copia pirata de dicho libro fácilmente).

Nuevos datos de supernovas Ia indican que la energía oscura podría variar con el tiempo

Recreación artística de una supernova Ia antes de la explosión y 20 días después.

Las observaciones de supernovas Ia como candelas para medir distancias indican que el universo se está acelerando y los modelos teóricos para el fondo cósmico del microondas del WMAP exigen su planitud. En ambos casos falta “mucho” de algo: la desconocida “energía oscura.” Si su origen es la constante cosmológica (energía cuántica del vacío) no debe cambiar. Los últimos datos de supernovas Ia parecen indicar que la energía oscura cambia con el tiempo. ¿Cómo interpretarlo? No puede ser la constante cosmológica. ¿Entonces qué? La quintaesencia, algo más “raro.” ¡Quizás ni siquiera exista! Nos lo cuenta Rachel Courtland, “What’s happening to dark energy?,” NewScientist, 6-7, 11 April 2009 , haciéndose eco del artículo de Arman Shafieloo, Varun Sahni, Alexei A. Starobinsky, “Is cosmic acceleration slowing down?,” ArXiv preprint, 31 Mar 2009 , que reanaliza las supernovas Ia más recientes del artículo de Malcolm Hicken et al. “CfA3: 185 Type Ia Supernova Light Curves from the CfA,” ArXiv preprint, 27 Feb 2009 . El grupo de Robert P. Kirshner no ha encontrado dicha variación de la energía oscura en su propio análisis de los mismo datos en Malcolm Hicken et al. “Improved Dark Energy Constraints from ~100 New CfA Supernova Type Ia Light Curves,” ArXiv preprint, 27 Feb 2009 .

¿Cambia la energía oscura con el tiempo? La evidencia hasta ahora indicaba que era constante. Con esta hipótesis han analizado Malcolm Hicken et al. el nuevo catálogo de supernovas Ia, con datos del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, EE.UU. Un análisis de 147 nuevas supernovas, la mitad recientemente descubiertas. Arman Shafieloo, de la británica University of Oxford, y sus colaboradores han analizado dichos datos bajo la hipótesis de que la energía oscura haya cambiado a lo largo de la historia del universo. El resultado es sorprendente, la aceleración de la expansión del universo observada en 1998 parece estar perdiendo fuerza. La energía oscura se ha debilitado en los últimos 2000 millones de años. Un resultado tan inesperado “hay que cogerlo con alfileres.” El efecto observado es sutíl. Será necesario que sea confirmado por otros grupos. Si se confirma, será uno de los grandes descubrimientos de 2009.

¿Qué significa que la energía oscura cambie con el tiempo? Por un lado, la constante cosmológica, la energía el vacío cuántico, ya no es una explicación fácil para el nuevo resultado. Su origen tiene ser más exótico. Quizás la llamada quintaesencia. Pero hay explicaciones más prosaicas. Los datos de las nuevas supernovas podrían estar sesgados, siendo supernovas cercanas aparentemente lejanas debido a la presencia de polvo que las hace parecer más débiles.

Lo que está claro es que poco a poco sabemos más sobre la energía oscura, que ahora parece ser mucho más complicada de lo que podíamos imaginar. Grandes sorpresas nos aguardan en los próximos años.

PS: “¿Se está debilitando la energía oscura?” 10 abril de 2009, by Kanijo (enlace en Menéame).

Qué pasaría si el número pi variara con el tiempo

Buena pregunta que nos plantea Robert J. Scherrer. Obviamente el número pi como concepto matemático no puede variar, pero si lo interpretas físicamente, entonces sí que puede hacerlo. Más aún, explica la expansión acelerada “aparente” del universo sin necesidad de energía oscura. ¿Qué te gusta más la “energía oscura” o que pi varíe con el tiempo? Quizás no sea tan descabellado pensar que el cociente entre el área de un círculo y su radio al cuadrado podría variar en el espaciotiempo como nos sugiere el artículo técnico “Time variation of a fundamental dimensionless constant,” ArXiv preprint, 30 Mar 2009 . El artículo es un poco extraño, basta ver lo poco cuidada que está la bibliografía, pero la idea como idea es “curiosa.” Scherrer menciona, porque está de moda, que la teoría de cuerdas podría dar cuenta de la variación de pi si nos encontráramos en una brana 3+1 dimensional de un espacio 4+1 dimensional. Mucho más no se puede comentar de un artículo de 2 páginas que casi lo único que nos ofrece es eso, la idea. ¿Y si variara el número e o los mismísimos números enteros? Por sugerir que no quede.

Por cierto, hablando de pi debo recomendar “Pi,” la película. La visión de un matemático.

Piones, los “másters” del universo (o lo numerológico de la numerología)

La numerología es el “arte” de ver “lo que uno quiere donde no lo hay”. Aunque pueda parecer broma, muchos grandes genios de la física y de la matemática han “creído” en la numerología. De todos es conocido que Newton dedicó la segunda parte de su vida a la política, en su parte pública, y a la numerología bíblica, en su parte privada (“alquimista” de vocación, quiso descubrir lo que Dios había escribo en la Biblia, en su idioma “original”, para que sólo los “supergenios” como él lo descubrieran). En el s. XX ha habido muchos “genios” numérologos, pero destacan entre todos dos grandes genios, Dirac y Eddington.

El valor numerológico de ciertas magnitudes suele ser una aproximación muy mala al valor exacto, pero muchas veces pasan décadas hasta que los físicos experimentales logran demostrar la diferencia (encontrar el valor exacto). Cuanto mayor incertidumbre tenga una magnitud, mejor para el numerólogo (quien más confiará en ella). Por ejemplo, ¿cuántas partículas elementales hay en el universo? Unas 10^80 más o menos. Bien para el numerólogo, el “disfrutón de los más o menos.”

Al grano, Dragan S. Hajdukovic (el de la foto), nos presenta en “Pions- lords of the Universe,” ArXiv preprint, 26 oct 2008 , una relación “mágica” entre la masa del pión (hay 3 piones), la constante de Hubble (difícil de medir experimentalmente) y las constantes físicas fundamentales. Aclaro. Hay 3 piones, uno neutro (π0) con masa 134.98 MeV/c^2, que en realidad son dos partículas “idénticas” formadas por una pareja quark-antiquark (abajo-antiabajo o arriba-antiarriba), y dos piones cargados (π+ y π-) con masa 139.57 MeV/c^2, también formados por una pareja quark-antiquark (arriba-antiabajo y abajo-antiarriba). La constante de Hubble mide la “velocidad” de expansión del universo, un parámetro extremadamente difícil de medir cuyo valor ha fluctuado durante todo el s. XX y sigue haciéndolo en la actualidad en el contexto de un universo que se expande de forma acelerada.

El artículo se inicia con la fórmula “aproximada” (aunque tiene un signo de igualdad) que vemos a la izquierda, que notó por primera vez el Premio Nobel Steven Weinberg en su famoso libro “Gravitation and Cosmology.” El autor “mejora” esta aproximación y sugiere una interpretación para la misma: el vacío cuántico del universo está dominado por la contribución de un gas de piones virtuales de masa gravitatoria nula, por eso no han sido detectados como materia ordinaria (bariónica). El autor sugiere que este gas de piones virtuales son la energía oscura, es decir, más del 70% del universo. Los piones son los “señores” del Universo, según el autor, aunque yo he preferido “los másters del universo.”

Nunca se sabe si las coincidiencias numerológicas encierran algo de verdad, alguna “misteriosa” verdad aún por descubrir. Cuando se “eleva” una coincidencia a “verdad” absoluta, se obtienen “nuevas leyes” de la Naturaleza. Por ejemplo, Dirac (1937-1938) supuso que el cociente H/G (donde H es la constante de Hubble y G la constante de gravitación universal de Newton) es constante en el tiempo desde la Gran Explosión hasta el momento presente. Como H varía desde el inicio de la Gran Explosión, G también debe variar. Dirac “predecía” gracias a su “teoría” la gran debilidad de la gravitación en el presente: un universo antiguo nos da una gravedad débil. Como es bien sabido, dicha relación es incompatible con todo nuestro conocimiento actual sobre cosmogonía (el origen y evolución del universo). Actualmente es insostenible.

Hajdukovic mejora la fórmula de Weinberg, proponiendo la que aparece a la izquierda. En la que reemplaza H0 (que no es constante) por una magnitud de valor comparable a ella que es “aparentemente” constante. En concreto, Ω es la densidad de energía total del universo relativa a la densidad crítica para que el universo sea plano y rH = c/H es el llamado radio de Hubble del Universo. Esta relación es “aparentemente” mucho más exacta que la anterior, pero sigue teniendo cierta incertidumbre (por ejemplo, qué valor se usa para la masa del pión). El autor afirma que la relación anterior tiene una profunda y misteriosa relación con la energía oscura que “domina” el universo en la actualidad. Es debida a la existencia de un gas de piones virtuales sin masa gravitatoria (¿?) que tiene una temperatura “gravitacional”, el responsable último de la energía oscura (que actualmente no tiene explicación convincente, pero se modela como una constante cosmológica de Einstein no nula).

¿Dónde está la energía oscura en la fórmula anterior? Para dejar más clara su idea propone una fórmula aún más precisa todavía (también aparece a la izquierda), que tiene en cuenta el número de grados de libertad de un pión nf y ΩΛ la densidad de energía oscura. Despejando esta última de esta nueva fórmula se obtiene un valor cercano al observado experimentalmente en el WMAP. Pero, cuidado, ¿cuántos grados de libertad tiene un pión? ¿Quién lo sabe? Bueno, el autor propone que ¡es obvio! que son 48 (será para que todo le cuadre).

Este juego de fórmulas, estimaciones, parámetros imposibles de determinar (como nf) a los que se les da un valor “razonable” (bueno, se “ajusta” para que todo funcione y luego se justifica que es el valor más razonable) es muy habitual en el campo de la numerología. En este sentido el artículo de Hajdukovic es un excelente ejemplo y merece ser comentado por ello, aunque sin olvidar que no estamos hablando de “ciencia” sino de “religión.”

PS: por cierto, tres fórmulas matemáticas en una sola entrada y además, todas “mentira”. ¡Qué fuerte!

Espectaculares simulaciones de la explosión de una supernova tipo Ia

Simulación 3D de la explosión de una estrella enana blanca en una supernova tipo Ia (las que han demostrado la aceleración de la expansión del universo). La simulación utiliza una resolución de 6 km y presenta la densidad y la variable de progreso de la reacción. La burbuja inicial tiene un radio de 18 km. El artículo técnico es “Three-Dimensional Simulations of the Deflagration Phase of the Gravitationally Confined Detonation Model of Type Ia Supernovae” Jordan et al., 2007 [ ArXiv preprint ]. Simulación 3D que presenta la densidad y temperatura.

Las supernovas tipo Ia son una de las estrellas recientes de la astrofísica, dada su importancia como “candelas estándares” en cosmología. Su observación ha permitido demostrar que la expansión del universo se está acelerando así como la presencia de “energía oscura”. ¿Cómo explota una enana blanca para convertirse en supernova Ia? La mayoría de los teóricos creen que una detonación es necesaria. Las simulaciones ilustran este proceso. Las 7 simulaciones presentadas en el artículo se enmarcan en la teoría llamada detonación confinada gravitatoriamente (gravitationally confined detonation, GCD) y tratan de demostrar que la detonación es una fase necesaria en dicha teoría.

En las simulaciones se parte de una enana blanca de 1.38 masas solares, con una composición uniforme de carbono y oxígeno, a partes iguales. Se supone que la enana blanca recibe materia (acreción) de una estrella compañera (normalmente una gigante roja) hasta alcanzar una masa crítica (límite de Chandrasekhar) momento en el que la enana blanca, básicamente una estrella sostenida por la presión generada por el principio exclusión de Pauli aplicado a los electrones libres del carbono y oxígeno, no puede superar la presión gravitatoria, con lo que colapsa, incrementando su temperatura y generando la ignición de su carbono en el núcleo de la estrella. Esta ignición genera un chorro (ilustrado en las animaciones) que parte de su centro y se extende rápidamente hasta las capas más externas.

Los vídeos muestran como la burbuja se vuelve inestable (debido a turbulencias generadas por una inestabilidad de Rayleigh-Taylor) generando una estructura con forma de hongo (como una explosión nuclear) antes del primer segundo. Cuando el hongo alcanza la superficie de la estrella, se rompe y se propaga por la superficie hasta alcanzar el extremo opuesto de la esfera de la estrella, momento en que se produce la detonación que acaba conduciendo a la explosión de la supernova (solamente 1.7 segundos desde el inicio del proceso). Las animaciones muestran muy bien cómo se produce la transición entre una deflagración subsónica hasta una detonación supersónica.

Durante la detonación se quema, en cuestión de segundos, una cantidad de carbono que a una estrella normal le llevaría cientos de años. Esta increíble energía libera una colosal onda de choque que destruye la estrella expulsando toda su masa a velocidades de alrededor de 10.000 km/s. La energía liberada en la explosión también causa un aumento extremo en su luminosidad siendo este tipo de supernovas (el tipo más luminoso de todos). Normalmente no queda ni rastro de la estrella que originó el cataclismo, sólo restos de gas y polvo sobrecalentados en rápida expansión.

Las supernovas de tipo Ia poseen una curva de luz característica. El parecido en las formas y en la magnitud de las curvas de luz de todas las supernovas de tipo Ia observadas hasta la fecha, ha hecho que sean utilizadas como medida estándar de luminosidad en la astronomía extragaláctica, lo que en términos astrofísicos se llama una candela estándar (se pueden calibrar con una décima de magnitud). Gracias a su alta luminosidad pueden ser detectadas en galaxias muy lejanas (con alto corrimiento al rojo). De ahí su importancia cosmológica. Las nuevas simulaciones permiten entender mejor cómo explotan este tipo de supernovas.

Podría ser errónea la mecánica cuántica (o qué tiene que decir al respecto el fondo cósmico de microondas)

Proyección estándar en una esfera del CMB (www.futura-science.com).

 

El fondo cósmico de microondas (CMB) presenta ciertas fluctuaciones cuya explicación más sencilla es la existencia de un periodo inflacionario a los 0′00000 000000 000000 000000 000000 000000 001 segundos después del Big-Bang. Las fluctuaciones cuánticas del campo cuántico responsable de la inflación, llamado inflatón, fueron amplificadas enormemente (exponencialmente) por la aceleración de la expansión, originaron diferencias de densidad de materia en el plasma primordial. Si la anisotropía del CMB tiene su origen en fluctuaciones cuánticas lo que observamos en el CMB es un retrato de una función de onda cuántica a escala macroscópica, la teoría que lo explica se denomina teoría del vacío (del inflatón) de Bunch-Davies (sí, Paul Davies, el gran divulgador científico). Si tanto la mecánica cuántica (estándar) como la teoría (estándar) son válidas, entonces la anisotropía del CMB tiene que tener una distribución estadística gaussiana. ¿Pero realmente la tiene? Hasta hace unos meses se pensaba que sí…

 

Amit P. S. Yadav and Benjamin D. Wandelt, “Evidence of Primordial Non-Gaussianity (fNL) in the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 3-Year Data at 2.8,” Physical Review Letters, 100, art. 181301 (2008 ), acaban de publicar un artículo, aparecido el 9 de mayo de 2008 , en el que estudian los datos del WMAP de los últimos años y muestran que hay evidencia de que el CMB no tiene una distribución estadística gaussiana. Para ello han estudiado le término de correlación de 3 puntos para la función de perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo de Bardeen. Este término ƒNL tiene que ser exactamente 0 si el CMB es gaussiano. Sin embargo, han encontrado que, para ciertos canales de frecuencia, es no nulo ( 27< ƒNL < 147) con un intervalo de confianza del 95% (2.8 desviaciones típicas). ¿Qué significa este resultado? Hay múltiples respuestas posibles. Si la mecánica cuántica (estándar) es aplicable al universo primordial, entonces el modelo inflacionario (estándar) es incorrecto. Puede ocurrir que existan múltiples campos de inflatón, que sea válida el modelo ekpirótico del Big-Bang según la teoría de cuerdas, etc. 

 

Pero existe otra posibilidad: contradecir a la sacrosanta Mecánica Cuántica (estándar). De ello se ha hecho eco, la noticia de Zeeya Merali, “Written in the skies: why quantum mechanics might be wrong,” Nature News, published online 15 May 2008 , que alude al reciente trabajo de Antony Valentini, “Inflationary Cosmology as a Probe of Primordial Quantum Mechanics,” ArXiv preprint, 1 Mahy 2008 , quien parece ser capaz de explicar la distribución no-gaussiana del fondo cósmico de microondas observada por Yadav-Wandelt, utilizando la teoría de la onda-piloto de de Broglie-Bohm, también llamada mecánica cuántica realista de Bohm. Esta teoría se publicó en 1952 por David Bohm y es la teoría de variables ocultas no locales más conocida, partiendo de ideas de Louis de Broglie. Para cada partícula existe una “onda guía” (la función de onda adquiere por tanto realidad física) que gobierna su movimiento. No es posible en laboratorio distinguir experimentalmente entre la mecánica cuántica (estándar) y la teoría de Bohm. Sin embargo, como la primera fue descubierta antes y la segunda “hereda” de la primera, muy pocos investigadores abogan por la mecánica de Bohm. Pero, ¿se puede demostrar que Bohm estaba equivocado? Valentini cree que sí, gracias al fondo cósmico de microondas y al futuro satélite Planck.

 

La cuestión si la Mecánica Cuántica es correcta podría pronto tener una respuesta negativa gracias a la observación del cielo. Antony Valentini, físico del Imperial College, Londres, quería desarrollar un test que pudiera separar la Mecánica Cuántica actual, de uno de sus más próximos rivales, la teoría de la Mecánica de Bohm. Aunque es una de las teorías de mayor éxito de toda la física, la Mecánica Cuántica contiene gran número de “paradojas”, especialmente en su interpretación con nuestros “ojos clásicos”, que la hacen “incómoda” (en palabras de Valentini). Por ejemplo, las propiedades de una partícula no tienen valores bien definidos (“no existen”) hasta que son medidos; antes de la medida, sólo podemos conocer las probabilidades de cada uno de dichos valores. Para muchos científicos, como Einstein, esto es “incómodo”, por lo que él creía que las partículas contenías ciertas propiedades “ocultas” (variables ocultas) que determinan su comportomiento completamente. La Mecánica de Bohm es una de las teorías de variables ocultas más desarrolladas en la actualidad y actualmente no se conocen experimentos que puedan demostrar que es errónea (en un laboratorio predice exactamente lo mismo que la Mecánica Cuántica).

 

Valentini cree que se podrían comparar ambas teorías con un análisis adecuado del fondo de microondas cósmico, ya que éste muestra puntos fríos y calientes que, se cree, fueron generados por la primera gran inflación que amplificó las fluctuaciones cuánticas del Universo primitivo. Valentini cree que cualquier “pequeña” violación de la mecánica cuántica en el periodo pre-inflacionario será amplificada por la inflación y dejará una huella en la estadística de fluctuaciones del fondo cósmico de microondas.

 

Hasta el momento, todas las medidas del fondo cósmico de microondas parecen encajar perfectamente en las predicciones de la Mecánica Cuántica, salvo un “pequeño detalle” que ha sido detectado por Amit Yadav y Ben Wandelt, University of Illinois at Urbana-Champaign, EEUU. Lo sorprendente es que las simulaciones desarrolladas por Valentini del efecto en el fondo cósmico de microondas de la inflación supuesta que se cumple la Mecánica de Bohm en el periodo pre-inflacionario, parece que explican perfectamente dicho “pequeño detalle”.  Por supuesto, se requiere una confirmación mediante análisis independientes. Pero el resultado cuando menos “llama la atención”.

 

Como afirma Valentini, “todavía es pronto para afirmar que la Mecánica Cuántica es incorrecta, pero es una posibilidad que no podemos descartar”. También es pronto para afirmar que la Mecánica de Bohm es incorrecta, pero quizás el Planck tenga la respuesta.

 

Más sobre la mecánica de Bohm y las teorías de variables ocultas en “Lo decible e indecible en mecánica cuántica” John Bell. Este libro debe ser lectura obligatoria para todo físico. Una reseña. El libro nos enseña que la Mecánica Cuántica (estándar) o es una Teoría Realista y No Local, o es una Teoría Local pero No Realista. La interpretación de Copenhague avoga por lo segundo. La teoría de Bohm por lo primero.