R. L. Jaffe; arXiv:0503158
Imagina, si puedes, lo que significaría tener un Universo sin absolutamente nada en él. Podrías tomar todos los diversos cuantos de materia y energía y eliminarlos, dejando un Universo sin partículas ni antipartículas de ningún tipo. Podrías eliminar cualquier fuente de gravitación o curvatura espacial, reduciendo tu Universo a nada más que espacio puramente vacío. Podrías proteger el Universo de cualquier campo eléctrico, magnético o que ejerza una fuerza nuclear, eliminando cualquier posible influencia que puedan tener en el espacio-tiempo que estás considerando. Incluso si haces todo eso, todavía no obtendrías «cero» en tu balance para la energía del Universo. Eso es lo que quiere saber Niels Hermes, que escribe para preguntar:
¿Sería posible arrojar luz sobre el concepto de energía del punto cero?
Es un concepto desafiante, pero vamos a intentarlo.
Usuario de Wikimedia Commons Stannered
Para cualquier sistema físico que podamos soñar, siempre habrá al menos una configuración en la que podamos colocarlo que tendrá la menor cantidad total de energía. Para una serie de masas aisladas del resto del Universo, eso es un agujero negro. Para un protón y un electrón, es un átomo de hidrógeno en el estado de tierra (es decir, de mínima energía). Y para el propio Universo, eso es establecer un espacio vacío en ausencia de campos o fuentes externas.
Ese estado de mínima energía se conoce como estado de energía de punto cero. Durante mucho tiempo, los científicos que estudiaban el Universo suponían que la energía del punto cero era nula. No por ninguna razón física, sino porque sólo teníamos dos formas de intentar llegar a ella, y ambas daban respuestas que apuntaban a problemas con cualquier valor distinto de cero.
Colaboración científica LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT
La primera vez que surgió la idea de una energía de punto cero del espacio fue en el contexto de la (entonces nueva) teoría de la gravedad de Einstein: La Relatividad General. Según Einstein, la curvatura del espacio determina el comportamiento futuro de la materia y la energía en el Universo, y la presencia de materia y energía determina la curvatura del espacio.
Bueno, casi. La presencia de materia y energía determina la curvatura del espacio casi por completo, pero eres libre de añadir una constante al propio espacio. (Los que hayáis cursado cálculo reconoceréis esta constante como algo que surge siempre que haces una integral: determinas la respuesta completamente, hasta una constante aditiva, «más c»). Esa constante, sea cual sea, representa la energía del punto cero del espacio. Cuando descubrimos el Universo en expansión, la constante era completamente innecesaria, y fue desechada como tal durante unos 60+ años.
La segunda vez que apareció la idea de la energía de punto cero fue cuando la teoría cuántica de campos cobró protagonismo. Además de todas las formas en que las partículas podían interactuar entre sí a través de los campos cuánticos que impregnaban el Universo, también había contribuciones del «vacío», que representaban cómo se comportaban los campos cuánticos en el vacío del espacio.
Los canales individuales contribuían en enormes cantidades a lo que llamábamos el «valor de expectativa del vacío» de estos campos, que eran típicamente unos ~120 órdenes de magnitud mayores que los límites observacionales. Pero algunos eran positivos y otros negativos, y muchos supusieron que todos se cancelarían. Además, se demostró que algunas teorías de campo eran exactamente equivalentes a las teorías libres (cuyos valores de expectativa en el vacío eran cero), por lo que, de nuevo, asumimos que la energía del punto cero era cero.
Y entonces, a finales del siglo XX, ocurrió lo impensable. Siempre habíamos previsto que el Universo se expandía, que la gravedad trabajaba para frenar la expansión, y que, o bien:
- la gravitación ganaría y la expansión se invertiría,
- la expansión ganaría y seguiría ralentizándose por siempre y para siempre,
- o se equilibrarían exactamente, y la expansión se asimilaría a cero pero nunca se invertiría del todo.
- una contribución de cualquier teoría cuántica de la gravedad que resulte ser correcta,
- una reliquia sobrante de una simetría rota anterior en el Universo (de la escala de gran unificación, la escala de Higgs, el sector de los neutrinos, etc.) que simplemente fija la energía del punto cero a su valor actual no nulo,
- que hay una cantidad relicta de energía que no llegó a cero desde nuestra época inflacionaria anterior,
- o que la idea altamente especulativa del paisaje de cuerdas, que en sí misma requiere muchas suposiciones no probadas y sin pruebas sobre cómo se comportaba el Universo antes del Big Bang caliente, simplemente «aterrizó en el valor que vemos hoy» para el valor de la energía del punto cero (o valor de expectativa del vacío) del espacio vacío.
Pero entonces descubrimos que la expansión del Universo no se estaba ralentizando en absoluto, sino que las galaxias lejanas se alejaban de nosotros cada vez más rápido a medida que pasaba el tiempo. El Universo no sólo tenía materia y radiación, sino que parecía tener una nueva forma de energía: lo que ahora llamamos energía oscura. En los 22 años transcurridos desde que se produjo ese primer descubrimiento, no sólo se ha confirmado la energía oscura mediante muchas líneas de evidencia, sino que se ha demostrado que es indistinguible, con gran precisión, de una constante cosmológica.
El «sombreado» azul representa las posibles incertidumbres sobre cómo la densidad de la energía oscura fue/será… diferente en el pasado y en el futuro. Los datos apuntan a una verdadera «constante» cosmológica, pero aún se permiten otras posibilidades. Como la materia es cada vez menos importante, la energía oscura se convierte en el único término que importa. La tasa de expansión ha disminuido con el tiempo, pero ahora se asimila a unos 55 km/s/Mpc.
Historias cuánticas
Por eso nos preocupa la energía del punto cero del espacio. Las observaciones de muchas líneas de evidencia -incluyendo el fondo cósmico de microondas, las fuentes distantes de luz (como las supernovas) y la agrupación de galaxias en el Universo- apuntan todas al mismo valor diminuto y no nulo de la cantidad de energía oscura en el Universo. Parece ser una forma de energía inherente al propio espacio, parece no cambiar con el tiempo, parece tener una densidad constante en todas partes y siempre, y no sabemos qué la está causando.
Por eso tenemos una motivación tan fuerte para tratar de entender cuál es la energía de punto cero del espacio: precisamente porque medimos que la expansión del Universo, que depende de ella, es inconsistente con un valor de cero para esta cantidad. Al igual que los átomos de hidrógeno tienen una energía finita en su estado básico, la energía del estado básico del propio espacio vacío también debe serlo.
Eso nos lleva a la gran pregunta: ¿por qué? Por qué la energía del punto cero del espacio tiene el valor que tiene? Hay muchas respuestas plausibles, pero cada una de ellas es insatisfactoria de alguna manera.
Podría ser que la constante cosmológica de la Relatividad General simplemente tenga el valor positivo que tiene. Se permite que tome cualquier valor, y todo lo que observamos es consistente con que la energía del punto cero del espacio tenga un valor pequeño, constante y positivo desde el inicio del Big Bang caliente. Esto es atractivo porque no necesita invocar ninguna física nueva: podemos explicar lo que observamos fijando un parámetro libre igual al valor observado correcto. Pero es insatisfactorio porque no hay ningún mecanismo o razonamiento que nos ayude a entender por qué tiene el valor que tiene.
Derek Leinweber
Alternativamente, podría ser que la energía de punto cero de todos los campos cuánticos que impregnan el Universo sumen el valor observado requerido para la energía oscura. Tal vez, si supiéramos cómo calcular este valor correctamente, llegaríamos a la respuesta correcta.
El problema con este escenario es que no sabemos cómo hacer este cálculo, y todos nuestros intentos nos dan una respuesta que es ridículamente demasiado grande. Es posible que se produzca una cancelación casi perfecta, pero no exacta, que nos lleve al valor correcto, pero es una propuesta difícil de apostar. «No sabemos cómo hacerlo, y la tarea parece difícil pero no está demostrado que sea imposible», no es precisamente una línea de pensamiento convincente.
Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
Pero siempre hay escenarios de «física novedosa» que considerar también. Es posible que no exista una constante cosmológica ni una contribución a la energía de punto cero de los campos cuánticos que conocemos. En su lugar, podríamos postular un nuevo tipo de campo en el Universo, que podría ser:
A falta de una solución, todas las posibilidades -por muy poco motivadas que parezcan- deben ser consideradas.
En un nivel fundamental, incluso el espacio puramente vacío sigue estando lleno de campos cuánticos, que afectan… al valor de la energía de punto cero del espacio. Hasta que sepamos cómo realizar este cálculo, debemos hacer una suposición sobre el valor al que llegamos o admitir que no sabemos cómo realizar este cálculo.
NASA/CXC/M.WEISS
Pero no importa cuál sea la respuesta al enigma de la energía de punto cero, hay dos hechos que no podemos negar. El primero es que la energía oscura es real, corroborada por una serie de líneas de evidencia independientes de las que nuestro Universo simplemente no puede prescindir. Es consistente con tener un valor constante en todas partes del espacio y a lo largo del tiempo: se comporta de una manera que es indistinguible de que el espacio tenga una energía de punto cero no nula y constante.
El segundo hecho es que, sea cual sea la solución, todavía debemos contar con la presencia de campos cuánticos -ordenados por las leyes de la física- que impregnan nuestro Universo. Hasta que no sepamos cómo calcular ese valor, cualquier solución que se proponga requiere que hagamos una suposición infundada para cualquiera que sea ese valor. La energía de punto cero del espacio vacío es inconsistente con un valor de cero. Hay muchos orígenes posibles de este valor distinto de cero, pero su causa última sigue siendo un misterio.
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