Los físicos han descubierto un nuevo enfoque para resolver el misterio de la energía oscura

Los físicos han propuesto una nueva interpretación de la energía oscura. Puede proporcionar información sobre la interacción entre la teoría cuántica de campos y la relatividad general como dos puntos de vista del universo y sus elementos.

¿Qué hay detrás de la energía oscura y cómo se relaciona con la constante cosmológica propuesta por Albert Einstein? Dos físicos de la Universidad de Luxemburgo señalan el camino para 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 tal como la conocemos, que consta de partículas elementales y compuestas que forman moléculas y sustancias, parece constituir solo una pequeña fracción de la energía del universo. La mayor contribución, alrededor de dos tercios, proviene de «energía oscura«- una forma hipotética de energía, en cuyo contexto los físicos todavía están desconcertados. Además, el universo no solo se expande constantemente, sino que también lo hace a un ritmo más rápido.

Ambas características parecen estar relacionadas porque energía oscura también considerado un motor de expansión acelerada. Además, podría reunir dos poderosas escuelas físicas de pensamiento: la teoría cuántica de campos y la relatividad general, desarrollada por Albert Einstein. Pero hay una trampa. los cálculos y las observaciones han estado lejos hasta ahora de ser consistentes. Ahora, dos investigadores de Luxemburgo han mostrado una nueva forma de resolver este rompecabezas de 100 años en un artículo publicado por la revista. Cartas de revisión física.

Pista de partículas virtuales en el vacío

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

«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 aparece en una imagen vívida como resultado de la constante generación e interacción de pares de partículas y sus antipartículas. — como electrones y positrones, en realidad en el espacio vacío.

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

Los físicos hablan de partículas virtuales y de las idas y venidas de sus campos cuánticos como oscilaciones de vacío o de punto cero. Mientras 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 sentido en la relatividad general”, señala el científico luxemburgués, “se manifiesta mediante la constante cósmica, que Einstein incluyó en sus ecuaciones por razones físicas”.

Una gran discrepancia

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 proporcionado valores cercanos y confiables de la cantidad física fundamental. Los cálculos de energía oscura basados ​​en la teoría cuántica de campos, por otro lado, dan resultados consistentes con una constante cosmológica de hasta 10.^120: aún mayor, una enorme discrepancia, a pesar de que en la cosmovisión de los físicos predominantes de hoy, los dos valores deberían ser iguales. En cambio, la discrepancia encontrada se conoce como el «rompecabezas de la constante cósmica».

«Definitivamente es una de las mayores inconsistencias de la ciencia moderna», dice Alexander Tkatchenko.

Una forma poco convencional de comentar.

Junto con su socio de investigación de Luxemburgo, el Dr. Dmitri Fedorov, ahora ha dado un paso importante para resolver este rompecabezas de décadas. En un artículo teórico, cuyos resultados publicaron recientemente c Cartas de revisión física, dos investigadores luxemburgueses proponen una nueva interpretación de la energía oscura. Asume que las fluctuaciones del punto cero conducen a una polarización del vacío que se puede medir y calcular.

«En pares de partículas virtuales con una carga eléctrica opuesta, surge de las fuerzas electrodinámicas que estas partículas ejercen entre sí durante su extremadamente corta existencia», explica Tkatchenko. Los físicos llaman a este vacío autointeracción. «Esto conduce a una densidad de energía que se puede determinar con la ayuda de un nuevo modelo», dice el científico luxemburgués.

Junto con su socio de investigación Fedorov, desarrollaron un modelo básico de átomos hace varios años y lo presentaron por primera vez en 2018. El modelo se usó originalmente para describir las propiedades de los átomos, particularmente la relación entre la polarizabilidad y las propiedades de equilibrio de los átomos. algunas moléculas y sólidos no enlazados covalentemente. Dado que las características geométricas son bastante fáciles de medir experimentalmente, la polaridad también se puede determinar utilizando su fórmula.

«Transferimos este procedimiento a los procesos de vacío», explica Fedorov. Con ese fin, los dos investigadores observaron el comportamiento de los campos cuánticos, que representan específicamente el «ir y venir» de electrones y positrones. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por la geometría de equilibrio, que ya se conoce de los experimentos. «Lo insertamos en las fórmulas de nuestro modelo y de esta manera finalmente obtuvimos la fuerza de polarización del vacío interno», informa Fedorov.

El paso final fue entonces calcular mecánicamente cuánticamente la densidad de energía de la interacción entre las oscilaciones de electrones y positrones. El resultado así obtenido concuerda bien con los valores medidos de la constante espacial. Esto significa: «La energía oscura se puede rastrear hasta la densidad de energía de la autointeracción de los campos cuánticos», enfatiza Alexander Tkatchenko.

Valores consistentes y predicciones comprobables

“Por lo tanto, nuestro trabajo ofrece un enfoque elegante y poco convencional para resolver el rompecabezas de la constante cosmológica”, concluye el físico. «Además, proporciona una predicción comprobable. es decir, que los campos cuánticos como los electrones y los positrones tienen una polarización intrínseca pequeña pero siempre presente”.

Este hallazgo señala el camino para que futuros experimentos detecten esta polarización también en el laboratorio, dijeron los dos investigadores luxemburgueses. «Nuestro objetivo es derivar la constante cosmológica de un riguroso enfoque teórico cuántico», enfatiza Dmitry Fedorov. «Y nuestro trabajo contiene una receta sobre cómo hacerlo».

Él ve los nuevos resultados con Alexander Tkatchenko como el primer paso para comprender mejor la energía oscura y su conexión con la constante cosmológica de Albert Einstein.

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

Referencia. Alexander Tkatchenko y Dmitri V. Fedorov «Densidad de energía de Casimir Self-Interaction of Quantum Electrodynamic Fields», 24 de enero de 2023, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601