Físicos afirman hallazgo de la "primera evidencia observacional" apoyando a la Teoría de las Cuerdas, explicando además la Energía Oscura.

En su intento por desarrollar una teoría cuántica de la gravedad, un grupo de investigadores ha utilizado reglas lógicas para calcular en qué medida debe modificarse la teoría de Einstein. El resultado ha coincidido perfectamente con la Teoría de Cuerdas.

Por Andrey Feldman.

Físicos afirman que podrían haber encontrado una explicación largamente esperada para la energía oscura, la misteriosa fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo, según insinúa un nuevo estudio preimpreso.

Sus cálculos sugieren que, a escalas muy pequeñas, el espacio-tiempo se comporta de una manera profundamente cuántica, difiriendo drásticamente de la estructura suave y continua que experimentamos en la vida cotidiana. Según estos hallazgos, las coordenadas de espacio-tiempo no «conmutan», lo que significa que el orden en que aparecen en las ecuaciones definitivamente afecta al resultado. Esto es idéntico a cómo se comportan la posición y la velocidad a la hora de hacer cálculos una partícula en mecánica cuántica.

La Teoría de las Cuerdas continúa mostrando señales de vida.

Una de las consecuencias más llamativas de este espacio-tiempo cuántico, tal y como predice la teoría de cuerdas, es que conduce naturalmente a la aceleración cósmica. Se parte de simple matemática, sin introducir nada más, y se obtiene como resultado un espacio en expansión. Además, los investigadores descubrieron que la velocidad a la que esta aceleración disminuye con el tiempo se ajusta notablemente bien a las últimas observaciones del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI).

«Desde la perspectiva de nuestro trabajo, se podría considerar que el resultado del DESI es la primera prueba observacional que respalda la teoría de cuerdas y, tal vez, las primeras consecuencias observables de la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica», explicó por correo electrónico a Live Science el coautor del estudio Michael Kavic, profesor de la Universidad Estatal de Nueva York en Old Westbury.

El misterio de la expansión del universo

En 1998, dos equipos independientes —el Supernova Cosmology Project y el High-Z Supernova Search Team— descubrieron que la expansión del universo no se estaba ralentizando, como se pensaba anteriormente, sino que se estaba acelerando. Llegaron a esta conclusión tras estudiar supernovas lejanas, que parecían más tenues de lo esperado. Esta aceleración implicaba la presencia de una entidad misteriosa que impregnaba el espacio, posteriormente denominada energía oscura, a falta de un mejor nombre.

Sin embargo, el origen de la energía oscura sigue siendo un misterio. Una hipótesis popular sugiere que surge de las fluctuaciones cuánticas en el vacío, similares a las que se observan en el campo electromagnético. Sin embargo, cuando los físicos intentaron calcular la tasa de expansión basándose en esta idea, llegaron a un valor que era 120 órdenes de magnitud demasiado grande, una discrepancia por lo menos asombrosa. Pero más recientes observaciones del DESI complicaron aún más el panorama. Según el Modelo Estándar de las partículas elementales, si la energía oscura fuera simplemente energía del vacío, su densidad debería permanecer constante a lo largo del tiempo. Sin embargo, los datos del DESI indican que la tasa de aceleración no es fija, sino que disminuye con el tiempo, algo que el Modelo Estándar no predice.

Vista exterior del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) instalado en la parte superior del telescopio Mayall de 4 metros en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, en Arizona. (Crédito de la imagen: DESI)

Resolviendo el misterio con la teoría de cuerdas

Para abordar estas inconsistencias, los investigadores recurrieron a la teoría de cuerdas, una de las principales candidatas a convertirse en la teoría cuántica de la gravedad. A diferencia del Modelo Estándar, que trata a las partículas elementales como puntos, la teoría de cuerdas propone que en realidad son objetos diminutos, vibrantes y unidimensionales llamados cuerdas que, dependiendo de sus modos de vibración, dan lugar a diferentes partículas, incluyendo el gravitón, el hipotético portador cuántico de la gravedad.

En un nuevo artículo publicado en la base arXiv, pero que aún no ha sido revisado por pares, los físicos Sunhaeng Hur, Djordje Minic, Tatsu Takeuchi (Virginia Tech), Vishnu Jejjala (Universidad de Witwatersrand) y Michael Kavic aplicaron la teoría de cuerdas para analizar el espacio-tiempo a nivel cuántico.

Al sustituir la descripción de las partículas del Modelo Estándar por el marco de la teoría de cuerdas, los investigadores descubrieron que el espacio-tiempo en sí mismo es intrínsecamente cuántico y no conmutativo, lo que significa que el orden en que aparecen las coordenadas en las ecuaciones es importante.

Esta radical desviación de la física clásica les permitió derivar las propiedades de la energía oscura no solo a partir de datos experimentales, sino directamente de una teoría física fundamental. Su modelo no solo arrojó una densidad de energía oscura que se ajusta estrechamente a los datos observacionales, sino que también predijo correctamente que esta energía debería disminuir con el tiempo, lo que coincide con los hallazgos más recientes del DESI.

Uno de los aspectos más llamativos de su resultado es que el valor de la energía oscura depende de dos escalas de longitud muy diferentes: la longitud de Planck, la escala fundamental de la gravedad cuántica, que es de unos 10⁻³³ centímetros; y el tamaño del universo, que es de miles de millones de años luz de diámetro. Esta conexión entre las escalas más pequeñas y más grandes del cosmos es muy inusual en física y sugiere que la energía oscura está profundamente ligada a la naturaleza cuántica del propio espacio-tiempo.

«Esto apunta a una conexión más profunda entre la gravedad cuántica y las propiedades dinámicas de la naturaleza que se suponía que eran constantes», dijo Kavic. «Puede que resulte que un error fundamental que cometemos es pensar que las propiedades básicas que definen nuestro universo son estáticas, cuando en realidad no lo son».

Pruebas experimentales y perspectivas futuras

Aunque la explicación del equipo sobre la expansión acelerada del universo supone un importante avance teórico, se necesitan pruebas experimentales independientes para confirmar su modelo. Los investigadores han propuesto formas concretas de poner a prueba sus ideas.

Una línea de evidencia «implica detectar patrones de interferencia cuántica complejos, lo cual es imposible en la física cuántica estándar, pero debería ocurrir en la gravedad cuántica», añadió Minic.

La interferencia se produce cuando las ondas, como las ondas de luz o de materia, se superponen y se amplifican o se cancelan entre sí, creando patrones característicos. En la mecánica cuántica convencional, la interferencia sigue reglas bien conocidas, que suelen implicar dos o más trayectorias cuánticas posibles. Sin embargo, la interferencia de orden superior, predicha por algunos modelos de gravedad cuántica, sugiere interacciones más complejas que van más allá de estos patrones estándar. Detectar estos efectos en el laboratorio sería una prueba revolucionaria de la gravedad cuántica.

Cuando dos ondas se encuentran en sincronía, se amplifican. Cuando se encuentran las cimas con los fondos, la suma de ambas simplemente la cancela. Variaciones más complejas de esto ocurren en el modelo propuesto y se podrían detectar en experimentos.

«Se trata de experimentos de mesa que podrían realizarse en un futuro próximo, en un plazo de tres a cuatro años».

«Nuestro enfoque de la gravedad cuántica tiene muchas implicaciones», afirmó Djordje Minic, físico de Virginia Tech y coautor del artículo, en un correo electrónico. Una línea de evidencia «implica la detección de patrones de interferencia cuántica complicados, lo cual es imposible en la física cuántica estándar, pero debería ocurrir en la gravedad cuántica», añadió Minic.

La interferencia ocurre cuando ondas, como las ondas de luz o de materia, se superponen y se amplifican o se cancelan entre sí, creando patrones característicos. En la mecánica cuántica convencional, la interferencia sigue reglas bien conocidas. Sin embargo, algunos modelos de gravedad cuántica sugieren interacciones más complejas que van más allá de estos patrones estándar. Detectar estos efectos en el laboratorio sería una prueba revolucionaria de la gravedad cuántica.

"Se trata de experimentos de sobremesa que podrían realizarse en un futuro próximo, dentro de tres o cuatro años".

Mientras tanto, los investigadores no esperan confirmaciones experimentales. Siguen perfeccionando su comprensión del espacio-tiempo cuántico y explorando nuevas vías para probar su teoría.

De confirmarse, sus hallazgos supondrían un gran avance no sólo en la explicación de la energía oscura, sino también en la aportación de las primeras pruebas tangibles de la teoría de cuerdas, un objetivo largamente perseguido en la física fundamental.

Artículo Original: Physicists claim to find 'first observational evidence supporting string theory,' which could finally reveal the nature of dark energy | Live Science