¿Puede la teoría olvidada del espacio de Einstein resolver la crisis cosmológica??

Hace décadas, Einstein inventó una teoría en la que el espacio no solo se curva, sino que gira como un ciclón. Ahora está regresando porque podría solucionar varios de los mayores problemas de cosmología.

Hace mucho tiempo, la gente pensaba que el espacio vacío era justo lo que parecía: un vacío sin características. Pero cuanto más hemos estudiado el vacío aparente, más hemos demostrado que esto está lejos de ser verdad. El aire que nos rodea está lleno de moléculas de gas empujadoras. En el espacio propiamente dicho, más allá de nuestra atmósfera, hay campos cuánticos y partículas de luz. Incluso el rincón más vacío del desierto interestelar no carece de carácter porque el espacio en sí mismo puede deformarse y curvarse.

Pero, ¿qué pasa si todavía no hemos llegado al fondo de cómo es el espacio?? En medio de su carrera, Albert Einstein se convenció de que la relatividad general, su gran teoría del espacio y el tiempo, había perdido un truco. Sí, el espacio se deformaba y curvaba, pero no de la manera que había pensado. Si se tuviera en cuenta la verdadera torsión del espacio, calculó, podría acercarnos a una gran teoría unificada de la física.

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Einstein nunca descifró la idea, y se ha dejado languidecer en gran medida durante casi un siglo. Pero ahora hay una nueva causa para revivirlo. Los físicos están luchando con una serie de problemas diabólicos en cosmología que nos obligan a cuestionar los conceptos básicos de incluso nuestras teorías más bien establecidas. La energía oscura, las cosas no identificadas que parecen estar separando el universo a una velocidad cada vez más acelerada, es solo un ejemplo.

Algunos físicos preguntan si la respuesta a todos estos problemas podría ser una vez más modificar nuestra comprensión del espacio mismo. Esta vez el objetivo no es unificar toda la física. Pero si le damos al espacio el tipo correcto de giro, está empezando a parecer que muchos de los problemas más irritantes de la física podrían desaparecer.

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La forma en que ahora entendemos el espacio se remonta a 1915, cuando Einstein publicó su teoría de la relatividad general. Se construye hacia arriba al darse cuenta de que la forma en que los objetos responden a la gravedad y la aceleración es indistinguible, lo que ahora llamamos el principio de equivalencia. La teoría nos dice que el espacio y el tiempo no pueden considerarse por separado, sino solo como una especie de lienzo de cuatro dimensiones para la realidad.

Como si eso no fuera suficiente, Einstein también demostró que cualquier objeto con masa podría deformarse y deformarse en el espacio-tiempo, como una versión de mayor dimensión de una bola de boliche en un trampolín. Fueron estas ondulaciones en el espacio-tiempo las que dieron lugar a la gravedad. Los objetos que caían del cielo seguían líneas de contorno invisibles en la estructura del espacio. Es una teoría hermosa que ha resistido la prueba del tiempo. Pero para el propio Einstein, los problemas ya se estaban gestando.

A principios de la década de 1920, él y otros estaban sentando las bases para la idea más exitosa en toda la física: la teoría cuántica. Explica la naturaleza del mundo subatómico, incluido el electromagnetismo, la fuerza que da lugar a la luz y crea atracciones y repulsiones entre partículas cargadas. Desde el principio, esta teoría nos obligó a dejar el sentido común en la puerta. Funciona al predecir lo que sucederá cuando un observador realiza una medición en una partícula cuántica, y parece sugerir que antes de esa medición, la partícula existe en una nube nebulosa de indeterminación. A Einstein no le gustó en absoluto; pensó que la posibilidad y la imprecisión en el núcleo de la teoría era un signo de nuestra ignorancia, no un verdadero aspecto de la naturaleza.

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Entonces comenzó a trabajar en una teoría alternativa del electromagnetismo, una escrita en lenguaje matemático similar a la relatividad general. Para comprender cómo funciona, necesitamos saber que los matemáticos tienen dos formas de hablar sobre cómo se curvan las cosas. Uno simplemente se llama curvatura y describe cómo se doblan las líneas. Luego hay un lenguaje más sofisticado llamado torsión, que se usa para describir cómo se tuercen las cosas. Podría describir un trozo de espagueti ondulado en un plato con curvatura, pero para definir la forma del sacacorchos de fusilli necesitaría torsión.

En relatividad general, Einstein había descubierto que usar una versión 4D de curvatura para describir el espacio-tiempo funcionaba perfectamente. Su nuevo plan era desarrollar una versión de la teoría usando torsión y ver si esto podía explicar tanto la gravedad como el electromagnetismo en un paquete ordenado. Fue una idea encantadora. En la nueva hipótesis, los objetos masivos y los objetos cargados harían que el espacio-tiempo se retorciera debajo de ellos, como un ciclón en el tejido de la realidad. Lo harían de maneras ligeramente diferentes, una dando lugar al electromagnetismo y la otra gravedad.

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Einstein publicó esta hipótesis en 1928. Pero no pudo hacer que funcionara correctamente: la teoría reescrita era realmente solo la relatividad general expresada de una nueva manera y no podía explicar el electromagnetismo. Se conoce como gravedad teleparalela debido a la forma en que se analizó inicialmente examinando líneas paralelas en el espacio.

En las décadas siguientes, la gravedad teleparalela fue trabajada por teóricos ocasionales. Mientras tanto, la relatividad general obtuvo éxito después del éxito y la teoría cuántica maduró y dominó la física fundamental. El interés en el intento de unificación de Einstein disminuyó.

Hoy, la física está en un lugar completamente diferente. La relatividad general y la teoría cuántica continúan confirmándose una y otra vez. Sin embargo, parece que no pueden ser la descripción completa de la realidad porque son mutuamente incompatibles. También hay grandes problemas en cosmología que no pueden responder (ver «Cuatro problemas, una solución»).

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Uno de ellos apareció por primera vez hace unos 20 años, cuando los astrónomos notaron que la tasa de expansión del universo se está acelerando. No tenemos una buena explicación para esto, aparte de invocar una sustancia desconocida llamada energía oscura. Los últimos años han planteado un problema aún más vergonzoso. Medimos la tasa de expansión del universo utilizando dos métodos diferentes, uno basado en estrellas en explosión y otro basado en el fondo cósmico de microondas, un mar de radiación emitido poco después del Big Bang. Estos dos métodos nos dan dos respuestas bastante diferentes. Todavía es posible que este problema, conocido como la tensión del Hubble, se deba a un error de medición. Pero es justo decir que los cosmólogos están en modo de crisis.

Una resolución podría consistir en aceptar que la relatividad general no proporciona una descripción perfecta de la realidad. En esta lectura, no hay energía oscura, es solo que la gravedad en sí misma no funciona exactamente como pensamos que funciona.

Los teóricos han estado produciendo modificaciones a la relatividad general durante décadas. La mayoría se enfoca en agregar nuevos ingredientes a la fórmula, permitiendo que la curvatura del espacio-tiempo responda más que la presencia de materia y energía. Pero con tantos sabores en oferta, ¿cómo discernir si alguno es correcto??

Una forma de juzgar involucra ondas gravitacionales, fluctuaciones en el espacio-tiempo que resultan de colisiones entre estrellas, agujeros negros y similares. La relatividad general dice que estas ondas deben propagarse a la velocidad de la luz. Pero las teorías de gravedad modificadas casi siempre predicen una velocidad ligeramente más lenta.

En 2017, logramos observar las ondas gravitacionales causadas por el aplastamiento de dos estrellas de neutrones, y la luz que esto produjo. El destello de luz y las ondas gravitacionales llegaron a la Tierra con segundos de diferencia. No hubo desaceleración, y este resultado fue suficiente para borrar casi todas las teorías de gravedad modificada de la mesa.

El último en pie

Pero no la gravedad teleparalela. La teoría no predice ningún cambio en la velocidad de las ondas gravitacionales. Esto significa que, para aquellos que piensan que la tensión del Hubble se puede resolver revisando la gravedad, quedan pocas opciones, excepto la gravedad teleparalela.

Es este tipo de lógica la que motiva a personas como Jackson Said en la Universidad de Malta, una figura destacada en la investigación teleparalela. «Estos son tiempos muy emocionantes, con una nueva sinergia en la comunidad para obtener la gravedad teleparalela para ayudar a resolver algunos de los grandes problemas de la cosmología moderna», dice Said.

No está solo en su entusiasmo. «Como cosmólogo, encuentro la gravedad teleparalela muy intrigante», dice Celia Escamilla-Rivera en la Universidad Nacional Autónoma de México. “Estamos entusiasmados de que pueda arrojar algo de luz sobre las preguntas que han sido problemas durante varios años en cosmología, como la naturaleza del sector oscuro.»

Hemos sabido durante mucho tiempo que las ecuaciones de relatividad general se pueden escribir utilizando el lenguaje de la torsión y la curvatura, y las dos funcionan como equivalentes. Esto se demostró en 1976. Significa que si Einstein hubiera elegido usar la torsión para escribir sus ecuaciones desde el principio, su teoría aún habría funcionado igual de bien.

La esperanza audaz es que la gravedad teleparalela sea realmente mejor que la relatividad general. El lenguaje matemático de la torsión es más maleable que la curvatura, por lo que los investigadores pueden ajustar los términos en las ecuaciones que hacen que la materia y la energía respondan mejor a la torsión del espacio-tiempo. En casi todas las circunstancias, incluido el espacio ordinario en nuestro sistema solar, estas modificaciones no hacen una diferencia notable en nada. Pero se pondrían en marcha en situaciones extremas, como en el Big Bang o en las escalas épicas de todo el universo, exactamente donde nos encontramos con los mayores problemas.

En 2018, el astrofísico Rafael Nunes del Instituto Nacional de Investigación Espacial en Sao Paulo, Brasil, utilizó la gravedad teleparalela para explorar la tensión del Hubble. Intentó una simple modificación a la gravedad teleparalela básica y utilizó este marco para calcular la tasa de expansión del universo a partir de datos sobre el fondo cósmico de microondas. Salió igual que la tasa dada por las supernovas. La tensión del Hubble se había derretido.

Ahora hay modelos publicados de gravedad teleparalela que también pueden explicar otros tres grandes problemas en cosmología. Pero cada uno usa diferentes modificaciones: no existe una teoría única de la gravedad teleparalela.

Recientemente, sin embargo, ha habido un hallazgo que impulsó el caso de la gravedad teleparalela, una que se remonta a la visión original de Einstein. Uno de los principales candidatos para una teoría unificada de la física actual es la teoría de cuerdas, que dice que todas las fuerzas y la energía en el universo surgen de las vibraciones de las cuerdas invisibles. La teoría es muy difamada por su falta de predicciones comprobables y matemáticas intratables. Pero con una escasez de competidores fuertes, todavía tiene mucho interés como una posible teoría de todo. Si es así, entonces una nueva teoría de la gravedad debería derivarse de la teoría de cuerdas.

A principios de este año, un equipo de teóricos dirigido por Sebastian Bahamonde en la Universidad de Tartu en Estonia descubrió que la gravedad teleparalela está contenida en la teoría de cuerdas. Utilizaron lenguaje matemático tomado de la teoría de cuerdas para derivar una historia del universo basada en teleparalelos, y descubrieron que imitaba muchas características clave de nuestro pasado cosmológico. Está lejos de ser un caso cerrado, pero es otra pista. «No esperamos que la relatividad general sea la teoría final de la gravedad», dice Bahamonde.

La cosmóloga Eleonora Di Valentino de la Universidad de Durham, Reino Unido, está prestando mucha atención al teleparalelismo. «Mi punto de vista es que en esta etapa todas las posibilidades son bienvenidas», dice ella. “La gravedad teleparalela es un campo de rápido crecimiento, pero aún muy teórico.»

Probar la gravedad teleparalela es la única forma en que descubriremos si es correcta. Pero eso no será fácil. La idea viene en tantos sabores que ninguna prueba demostraría que es correcta o incorrecta. En cambio, es más probable que el progreso provenga de pruebas que empujan la relatividad general más allá de su punto de ruptura. Hasta ahora, la teoría de Einstein ha demostrado ser singularmente resistente, incluso describiendo escenarios extremos como las colisiones de agujeros negros a la perfección.

Equivalencia misteriosa

Puede haber una forma de probar directamente la gravedad teleparalela y es a través del principio de equivalencia, la idea fundamental sobre la cual se construye la relatividad general. El principio dice que la masa gravitacional de un objeto, que responde a la deformación del espacio-tiempo, es la misma que su masa inercial, que resiste la aceleración.

En relatividad general, el principio de equivalencia tiene que ser cierto o la teoría se derrumba. Pero nunca ha habido una razón obvia por la que esto sea así. Todo lo que sabemos es que, empíricamente, el principio es sólido, al menos en todas las medidas que hemos realizado hasta ahora.

Una manifestación del principio es que todos los objetos caen a la Tierra con la misma aceleración independientemente de su masa, siempre que cosas como la resistencia del aire no interfieran. Ya sabemos que esto es cierto para una precisión de una parte en un billón. Pero si encontramos incluso la más mínima diferencia, eso demostraría que la relatividad general es incorrecta y apuntaría fuertemente hacia la gravedad teleparalela.

Hay un experimento propuesto que podría ser capaz de verificar esto. La prueba satelital del proyecto del Principio de equivalencia tiene como objetivo poner en órbita ocho masas de prueba diferentes, protegerlas de la resistencia y medir cómo responden a la gravedad de la Tierra en minucioso detalle. Si aparece alguna diferencia entre el comportamiento de las masas, eso sería una violación de la equivalencia, y el teleparalelismo estará allí esperando para explicar los resultados.

Einstein mismo nunca dejó de encontrar una alternativa a la teoría cuántica hasta su muerte en 1955. Su teoría olvidada no es lo que una vez esperó que pudiera ser. Pero es posible que su visión retorcida del espacio no fuera del todo errónea. Por ahora, al menos, el sueño de Einstein sigue vivo.

Cuatro problemas, una solución

La cosmología se enfrenta a cuatro enormes problemas interrelacionados. Una teoría resurgente llamada gravedad teleparalela podría proporcionarles respuestas a todos

Problema 1: materia oscura

A partir de la década de 1970, los astrónomos comenzaron a darse cuenta de que muchas galaxias están girando tan rápido que deberían separarse, a menos que contengan materia extra invisible. Más evidencia nos ha llevado a creer que esta materia oscura representa más del 80 por ciento de toda la materia en el universo, pero no sabemos qué es.

Problema 2: Inflación

Para explicar cuán uniforme es el universo en las escalas más grandes, los cosmólogos piensan que se disparó a una velocidad increíble poco después del Big Bang. Pero lo que desencadenó este período de inflación y lo que lo apagó? Una hipótesis implica un campo cuántico que desde entonces ha desaparecido por razones inexplicables.

Problema 3: Energía oscura

En 1998, descubrimos que la tasa de expansión del universo se está acelerando. Hasta ahora, todo lo que los cosmólogos han podido hacer es darle un nombre a este fenómeno: energía oscura. Tenemos muy poca idea de lo que realmente es.

Problema 4: La tensión del Hubble

Podemos medir la tasa de expansión actual del universo, conocida como la constante del Hubble, de dos maneras, una basada en supernovas cercanas y otra basada en la radiación que quedó poco después del Big Bang, llamada el fondo cósmico de microondas ( CMB). El último método proporciona un número que es aproximadamente un 10% más pequeño que el dado por el primero.

Solución:

Bajo gravedad teleparalela, no hay necesidad de invocar materia oscura o energía oscura. En cambio, tenemos una imagen diferente de cómo la materia ordinaria responde a la gravedad. La inflación aún ocurre, pero es una consecuencia natural del estado del universo primitivo. La tensión del Hubble también desaparece. Si la gravedad funciona de manera diferente a como pensamos en las escalas más grandes, entonces tendríamos que modificar la forma en que analizamos el CMB. De hecho, ya se ha demostrado que una versión de la gravedad teleparalela resuelve la tensión del Hubble en principio (ver historia principal).

Fuente: Enlace

En este sentido, te invitamos a ver el siguiente video que explora si la teoría olvidada del espacio de Einstein puede ofrecer respuestas a la actual crisis cosmológica.