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Ciencia
Energía oscura. La peor predicción de la historia
Hay algo desconocido que actúa en sentido contrario a la gravedad y representa el 70% de la energía del universo
sr. garcía
La ciencia trata de elaborar explicaciones que describan los fenómenos naturales, ponerlas a prueba mediante experimentos y, en caso de desacuerdo, modificar o proponer nuevas explicaciones hasta que encajen con los datos experimentales. Cuanto mayor sea el grado de acuerdo y mayor el número de comprobaciones experimentales satisfactorias, mayor será la fiabilidad de la explicación. Así se han construido los dos pilares de la física actual: la mecánica cuántica, que explica el comportamiento de las partículas microscópicas, y la relatividad general, que explica mediante la gravedad el funcionamiento de los grandes objetos del universo como las galaxias y los cúmulos de galaxias.
Estas teorías ofrecen visiones sorprendentes y a menudo un tanto absurdas de la realidad. Según la mecánica cuántica, por ejemplo, una misma partícula microscópica puede estar simultáneamente en distintos lugares del espacio. Según la teoría de la relatividad, el tiempo fluye más lentamente en presencia de un campo gravitatorio intenso, y también lo hace en un vehículo que se mueve a gran velocidad. De entrada, estos hechos chocan frontalmente contra el sentido común y se antojan como un completo disparate. Pero el sentido común está construido a partir de una experiencia cotidiana que nada tiene que ver con partículas microscópicas ni con vehículos que se mueven a velocidades cercanas a las de la luz. Los físicos han corroborado a lo largo de un siglo de predicciones teóricas y comprobaciones experimentales que a escalas distintas de la humana la naturaleza se comporta de otra manera. Que estos comportamientos aparentemente absurdos nos sorprendan es lo más normal del mundo, pero no debería sorprendernos tanto que nos sorprendan.
Gracias al modelo del universo en expansión se ha podido cifrar su edad en unos 13.800 millones de años
Si se aceptan conclusiones tan absurdas es principalmente porque estas teorías han sido capaces de realizar predicciones que han encajado a través de los experimentos con una precisión extraordinaria. Tanto en el marco de la mecánica cuántica como en el de la relatividad general, ha habido predicciones teóricas que han concordado con los datos experimentales con una precisión que roza la billonésima. Esto equivale a medir la distancia entre Gibraltar y el cabo Norte con un error inferior al grosor de un cabello.
En los últimos años hemos asistido a una serie de comprobaciones que han evidenciado una vez más la solidez de ambas teorías. El 4 de julio de 2012 la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés) anunció la detección del bosón de Higgs, una partícula microscópica cuya existencia predijeron de forma independiente tres equipos de físicos en 1964. El 11 de febrero el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) comunicó la detección de ondas gravitatorias producidas durante la fusión de dos agujeros negros, un fenómeno que ya predijo Albert Einstein en 1916.
Hasta aquí puede parecer que la física teórica no ha hecho sino cosechar un éxito científico tras otro. Sin embargo, también durante los últimos años se han producido algunos descubrimientos ante los cuales estas teorías, capaces de predecir intimidades de la naturaleza con una exactitud inaudita, han quedado en evidencia. Muy especialmente, hay una predicción en la cual el desacuerdo entre el valor predicho por la teoría y el valor observado en los experimentos es tan descomunal que solo para nombrarlo hay que practicar ingeniería lingüística: este valor teórico es 100 trillones de gúgols de veces mayor que el valor experimental, es decir, nada menos que un uno seguido de 120 ceros. Se trata, sin duda alguna, de la peor predicción de la historia.
El mayor error de Einstein
Cuando Albert Einstein publicó en 1915 la teoría de la relatividad general, no solo presentó una explicación de la gravedad que mejoraba la teoría de Newton, sino también una herramienta que permitía estudiar el universo como un todo. Él mismo fue el primero en utilizarla para este fin. En 1917, armado con las ecuaciones que había construido, Einstein estudió por primera vez el universo como un solo objeto. A pesar de su fama de pensador revolucionario, Einstein también tenía prejuicios y en este caso fue víctima de ellos. Al igual que la mayor parte de científicos y pensadores de principios del siglo XX, estaba convencido de que el universo era estático. A nivel local, se decía, podían producirse movimientos como el de los planetas alrededor del Sol o el de los satélites alrededor de otros planetas, pero en general se creía que a escalas galácticas nada se movía de manera apreciable. Al estudiar el universo globalmente, Einstein obtuvo de todo menos un resultado estático. En uno de sus cálculos, los componentes del universo se acercaban cada vez más unos a otros debido a la gravedad, cosa que conducía irremisiblemente a un colapso final. Puesto que este resultado le pareció profundamente desagradable, Einstein modificó las ecuaciones de la relatividad general e introdujo un término gobernado por la constante cosmológica, que producía un efecto contrario a la gravedad y, por lo tanto, frenaba el colapso. Aunque no por demasiado tiempo, Einstein pudo respirar tranquilo ante una solución compatible con un universo estático.
Durante la década de los 20, los físicos Georges Lemaître y Alexander Friedman resolvieron las mismas ecuaciones que Einstein y, sin necesidad de utilizar el término que este había añadido, ambos obtuvieron un universo en expansión. Además de contradecir los resultados de Einstein, esta conclusión implicaba que a medida que se retrocediera en el tiempo el universo sería cada vez más compacto, hasta el extremo de que en un cierto momento toda la materia del universo estaría comprimida en un espacio diminuto. La simple posibilidad de este momento supuso una revolución, ya que significaba que el universo podía tener un principio y, por lo tanto, un tiempo de vida, una edad que se podía calcular.
Durante esa misma década, el abogado reconvertido a astrónomo Edwin Hubble estudió el movimiento de una serie de galaxias y encontró que todas se alejaban de nosotros, un resultado que ya había apuntado el astrónomo Vesto Slipher en 1912. Concluyó que las galaxias eran objetos exteriores a la Vía Láctea y que las más lejanas se separaban a mayor velocidad. Estas observaciones daban credibilidad a las predicciones teóricas de Friedman y Lemaître, que sostenían que el universo se expandía. Se acumularon tantas evidencias a favor de la expansión del universo que Einstein modificó de nuevo las ecuaciones de la relatividad general, esta vez suprimiendo el término antigravitatorio, que consideró el mayor error de su vida.
Una aceleración inesperada
Gracias al modelo del universo en expansión se ha podido cifrar su edad en unos 13.800 millones de años. Este modelo explica con gran precisión la abundancia de elementos ligeros, la estructura del universo a grandes escalas y la existencia de una radiación de microondas detectada en 1965 que permea todo el espacio y que es un residuo de las primeras épocas del universo. Dentro de este modelo, es razonable pensar que aunque se esté expandiendo, esta expansión se va a ir ralentizando hasta detenerse como consecuencia de la gravedad, y las galaxias, atraídas gravitatoriamente, empezarán a acercarse unas a otras hasta que el universo colapse en un espacio diminuto y muy caliente. Un destino razonable que, según el famoso poema de Robert Frost (“Some say the world will end in fire, / some say in ice.”), se inclina por un fin del mundo en llamas.
Sin embargo, en 1998 dos equipos de científicos que estudiaban explosiones de supernovas lejanas se dieron cuenta de que las veían más débiles de lo que se esperaría si el universo se expandiera siempre al mismo ritmo. Ambos equipos llegaron a una conclusión idéntica: la expansión no se producía a un ritmo constante sino que se aceleraba. Es decir, las galaxias que interactúan mediante la fuerza atractiva de la gravedad y que actualmente se están separando se alejan a una velocidad cada vez mayor. Según este resultado, parece que la realidad se inclina más por un fin del mundo helado, un final en el que todo se alejará, se apagará y se enfriará hasta una oscuridad y quietud total.
Lo que sucede en el universo a grandes escalas es equivalente a lanzar una manzana hacia arriba y que en lugar de frenar y caer de nuevo, esta se acelere en contra de la gravedad, se aleje sin cesar y no regrese jamás.
Un Frankenstein incompleto
La confirmación de este resultado durante los últimos años indica que hay algo desconocido en el universo que actúa en sentido contrario a la gravedad, impulsando las galaxias cada vez más lejos unas de otras. Además, hoy se sabe que este “algo” representa un 70% de toda la energía que hay en el universo.
El problema principal con el que se han encontrado los físicos ante este fenómeno de repulsión, cuya causa se bautizó como energía oscura, ha sido explicar su naturaleza.
Es como lanzar una manzana hacia arriba y que, en lugar de frenar y caer de nuevo, se acelere en contra de la gravedad
Desde la relatividad general, se ha reconsiderado el término introducido por Einstein en 1917. El que fuera según él mismo el mayor error de su vida ha vuelto recientemente a cobrar protagonismo y, aunque lo añadiera por motivos equivocados, parece que puede describir correctamente la dinámica del universo. Desde la relatividad no se puede explicar por qué existe, es decir, se desconoce cuál es el motivo físico de su existencia. Desde la mecánica cuántica, en cambio, se divisó en seguida una posibilidad de dilucidar la naturaleza de la misteriosa energía oscura que acelera la expansión del universo.
Según la teoría cuántica, el espacio vacío no es un mero vacío donde no ocurre nunca nada. Debido al bullicio y a las continuas fluctuaciones que caracterizan la naturaleza a escalas microscópicas, en el vacío pueden, por ejemplo, aparecer y desaparecer partículas continuamente —otro aparente dislate comprobado experimentalmente hasta la saciedad—.
Además, resulta que, dependiendo de las circunstancias, este bullicio cuántico puede dar lugar a un efecto de expansión contrario a la gravedad. Cuando los expertos se pusieron a calcular, encontraron que la mejor teoría de la historia arrojaba la peor predicción que se había hecho jamás: según dichos cálculos, la energía que impulsa la expansión es nada menos que 100 trillones de gúgols (¡un uno seguido de 120 ceros!) de veces mayor que la energía medida experimentalmente.
El misterio sigue hoy sin resolver y representa uno de los mayores retos que a los que se enfrenta la ciencia.