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  • Writer's pictureAlice Meraviglia

Una teoría olvidada de Einstein podría resolver la "crisis cosmológica"

Updated: Jan 23, 2022

Por Paul M. Sutter / 2021 oct 22

Hace décadas, Einstein inventó una teoría en la que el espacio no sólo se curva, sino que se arremolina como un ciclón. Ahora vuelve a aparecer porque podría solucionar varios de los mayores problemas de la cosmología.


Hace mucho tiempo, la gente pensaba que el espacio vacío era justo lo que parece: un vacío sin rasgos. Pero cuanto más hemos estudiado el aparente vacío, más hemos demostrado que eso está lejos de la verdad. El aire que nos rodea está lleno de moléculas de gas que se agitan. En el espacio propiamente dicho, más allá de nuestra atmósfera, hay campos cuánticos y partículas de luz. Incluso el rincón más vacío de la naturaleza interestelar no está desprovisto de carácter porque el propio espacio puede deformarse y curvarse.


Pero, ¿y si todavía no hemos llegado al fondo de cómo es el espacio? En la mitad de su carrera, Albert Einstein se convenció de que la relatividad general, su gran teoría del espacio y el tiempo, se había equivocado en algo. Sí, el espacio se deforma y se curva, pero no de la manera que él pensaba. Si se tuviera en cuenta la verdadera torsión del espacio, pensó, podría acercarnos a una gran teoría unificada de la física.


Einstein nunca llegó a descifrar la idea, y se dejó languidecer durante casi un siglo. Pero ahora hay nuevos motivos para revivirla. Los físicos se enfrentan a una serie de problemas endiablados en la cosmología que nos obligan a cuestionar los fundamentos incluso de nuestras teorías más consolidadas. La energía oscura, la materia no identificada que parece empujar el universo a un ritmo cada vez más acelerado, es sólo un ejemplo.


Algunos físicos se preguntan si la respuesta a todos estos problemas podría consistir en modificar una vez más nuestra comprensión del propio espacio. Esta vez el objetivo no es unificar toda la física. Pero si le damos al espacio el giro adecuado, empieza a parecer que muchos de los problemas más espinosos de la física podrían desaparecer.


La forma en que ahora entendemos el espacio se remonta a 1915, cuando Einstein publicó su teoría de la relatividad general. Se construyó a partir de su constatación de que el modo en que los objetos responden a la gravedad y a la aceleración es indistinto, lo que ahora llamamos el principio de equivalencia. La teoría nos dice que el espacio y el tiempo no pueden considerarse por separado, sino como una especie de lienzo cuatridimensional de la realidad.


Por si fuera poco, Einstein también demostró que cualquier objeto con masa podía deformar el espacio-tiempo, como una versión de mayor dimensión de una bola de bolos en un trampolín. Fueron estas ondulaciones del espacio-tiempo las que dieron lugar a la gravedad. Los objetos que caían del cielo seguían líneas de contorno invisibles en el tejido del espacio. Es una hermosa teoría que ha superado 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 de la idea más exitosa de toda la física: la teoría cuántica. Ésta explica la naturaleza del mundo subatómico, incluido el electromagnetismo, la fuerza que da lugar a la luz y crea atracciones y repulsiones entre las partículas cargadas. Desde el principio, esta teoría nos obligó a dejar el sentido común en la puerta. Funciona prediciendo lo que ocurrirá cuando un observador realice una medición sobre una partícula cuántica, y parece sugerir que antes de esa medición, la partícula existe en una difusa nube de indeterminación. A Einstein no le gustaba nada; pensaba que el azar y la imprecisión en el núcleo de la teoría eran un signo de nuestra ignorancia, no un aspecto real de la naturaleza.


Así que empezó a trabajar en una teoría alternativa del electromagnetismo, escrita en un lenguaje matemático similar al de la relatividad general. Para entender cómo funciona, tenemos que saber que los matemáticos tienen dos formas de hablar sobre cómo se curvan las cosas. Una se llama simplemente curvatura y describe cómo se curvan las líneas. Luego hay un lenguaje más sofisticado llamado torsión, que se utiliza para describir cómo se tuercen las cosas. Se podría describir un trozo de espagueti ondulado en un plato con la curvatura, pero para definir la forma de sacacorchos de los fusilli se necesitaría la torsión.


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


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


En las décadas siguientes, la gravedad teleparalela fue trabajada por algún que otro teórico. Mientras tanto, la relatividad general cosechaba un éxito tras otro y la teoría cuántica maduraba y dominaba la física fundamental. El interés por el intento de unificación de Einstein disminuyó.


Hoy en día, la física se encuentra en un lugar totalmente diferente. La relatividad general y la teoría cuántica siguen confirmándose una y otra vez. Sin embargo, parece que no pueden ser la descripción completa de la realidad porque son mutuamente incompatibles. También hay enormes problemas en la cosmología a los que no pueden dar respuesta (véase "Cuatro problemas, una solución").


Uno de ellos apareció hace unos 20 años, cuando los astrónomos observaron que el ritmo de expansión del universo se está acelerando. No tenemos una buena explicación para ello, aparte de invocar una sustancia desconocida llamada energía oscura. En los últimos años ha surgido un problema aún más embarazoso. Medimos el ritmo de expansión del universo con dos métodos diferentes, uno basado en la explosión de estrellas y otro 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 de Hubble, se deba a un error de medición. Pero es justo decir que los cosmólogos están en modo de crisis.

Una solución podría consistir en aceptar que la relatividad general no proporciona una descripción perfecta de la realidad. Según esta interpretación, no existe la energía oscura, sino que la propia gravedad no funciona exactamente como pensábamos.


Los teóricos llevan décadas elaborando modificaciones de la relatividad general. La mayoría se centra en añadir nuevos ingredientes a la fórmula, permitiendo que la curvatura del espacio-tiempo responda a algo más que a la presencia de materia y energía. Pero con tantos sabores que se ofrecen, ¿cómo discernir si alguno es correcto?


Una forma de juzgarlo son las ondas gravitacionales, fluctuaciones en el espacio-tiempo resultantes de colisiones entre estrellas, agujeros negros y similares. La relatividad general dice que estas ondas deberían propagarse a la velocidad de la luz. Pero las teorías modificadas de la gravedad casi siempre predicen una velocidad ligeramente inferior.


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


El último que sigue en pie!


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


Este tipo de lógica es la que motiva a personas como Jackson Said, de la Universidad de Malta, una figura destacada en la investigación teleparalela. "Son tiempos muy emocionantes, con una nueva sinergia en la comunidad para conseguir que la gravedad teleparalela ayude 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, de la Universidad Nacional Autónoma de México. "Nos entusiasma que pueda arrojar algo de luz sobre las preguntas que han sido problemas durante varios años en la cosmología, como la naturaleza del sector oscuro".


Hace tiempo que sabemos que las ecuaciones de la relatividad general pueden escribirse utilizando el lenguaje de la torsión y de la curvatura, y que ambas resultan equivalentes. Esto se demostró en 1976. Esto significa que si Einstein hubiera elegido utilizar la torsión para escribir sus ecuaciones desde el principio, su teoría habría funcionado igual de bien.


La audaz esperanza es que la gravedad teleparalela sea realmente mejor que la relatividad general. El lenguaje matemático de la torsión es más maleable que el de la curvatura, por lo que los investigadores pueden introducir términos en las ecuaciones que hagan que la materia y la energía respondan mejor a la torsión del espacio-tiempo. En casi todas las circunstancias, incluido el espacio ordinario de nuestro sistema solar, estas modificaciones no suponen ninguna diferencia apreciable. Pero se pondrían en marcha en situaciones extremas, como en el Big Bang o en las escalas épicas de todo el universo, exactamente en el lugar donde estamos encontrando todos esos problemas.


En 2018, el astrofísico Rafael Nunes, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales de Sao Paulo (Brasil), utilizó la gravedad teleparalela para explorar la tensión del Hubble. Probó una simple modificación de la gravedad teleparalela básica y utilizó este marco para calcular la tasa de expansión del universo a partir de los datos del fondo cósmico de microondas. El resultado fue el mismo que la tasa dada por las supernovas. La tensión de Hubble se había disuelto.


Ahora se han publicado modelos de gravedad teleparalela que pueden explicar también otros tres grandes problemas de la cosmología. Pero cada uno de ellos utiliza diferentes modificaciones: no existe una única teoría de la gravedad teleparalela.


Sin embargo, recientemente se ha producido un hallazgo que ha impulsado los argumentos a favor de la gravedad teleparalela, uno que se remonta a la visión original de Einstein. Uno de los principales candidatos a una teoría unificada de la física actual es la teoría de cuerdas, que afirma que todas las fuerzas y la energía del universo surgen de las vibraciones de cuerdas invisibles. La teoría es muy criticada por su falta de predicciones comprobables y sus matemáticas intrincadas. Sin embargo, ante la escasez de competidores fuertes, sigue despertando mucho interés como posible teoría del todo. Si lo es, una nueva teoría de la gravedad debería poder derivarse de la teoría de cuerdas.


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


La cosmóloga Eleonora Di Valentino, de la Universidad de Durham (Reino Unido), presta mucha atención al teleparalelismo. "Mi punto de vista es que en este momento todas las posibilidades son bienvenidas", dice. "La gravedad teleparalela es un campo en rápido crecimiento, pero todavía muy teórico".


Probar la gravedad teleparalela es la única forma de averiguar si es correcta. Pero eso no será fácil. La idea tiene tantas variantes que ninguna prueba podría demostrar que es correcta o incorrecta. En su lugar, es más probable que el progreso provenga de pruebas que lleven la relatividad general más allá de su punto de ruptura. Hasta ahora, la teoría de Einstein ha demostrado ser singularmente resistente, incluso describiendo a la perfección escenarios extremos como las colisiones de agujeros negros.


Misteriosa equivalencia


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


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


Una de las manifestaciones del principio es que todos los objetos caen a la Tierra con la misma aceleración, independientemente de su masa, siempre que no interfieran elementos como la resistencia del aire. Ya sabemos que esto es cierto con una precisión de una parte en un trillón. Pero si encontráramos la más mínima diferencia, eso demostraría que la relatividad general está equivocada y apuntaría fuertemente hacia la gravedad teleparalela.


Hay un experimento propuesto que podría ser capaz de comprobarlo. El proyecto "Satellite Test of the Equivalence Principle" (Prueba de Satélite del Principio de Equivalencia) pretende poner en órbita ocho masas de prueba diferentes, protegerlas del arrastre y medir cómo responden a la gravedad de la Tierra con todo detalle. Si aparece alguna diferencia entre el comportamiento de las masas, eso sería una violación de la equivalencia, y el teleparalelismo estará ahí esperando para explicar los resultados.


El propio Einstein nunca renunció a encontrar una alternativa a la teoría cuántica hasta su muerte en 1955. Su olvidada teoría no es lo que alguna vez esperó que fuera. Pero es posible que su "retorcida" visión del espacio no estuviera del todo equivocada. 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 dar respuesta a todos ellos


Problema 1: la materia oscura

A partir de los años 70, los astrónomos empezaron a darse cuenta de que muchas galaxias giran tan rápido que deberían separarse por sí mismas, a no ser que contengan materia extra e invisible. Otras pruebas nos han llevado a creer que esta materia oscura constituye más del 80% de toda la materia del universo, pero no sabemos qué es.


Problema 2: la inflación

Para explicar la uniformidad del universo en las escalas más grandes, los cosmólogos creen que se infló a una velocidad increíble poco después del Big Bang. Pero, ¿qué desencadenó este periodo de inflación y qué lo apagó? Una de las hipótesis se refiere a un campo cuántico que ha desaparecido por razones inexplicables.


Problema 3: la energía oscura

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


Problema 4: la tensión de Hubble

Podemos medir la tasa de expansión actual del universo -conocida como la constante de Hubble- de dos maneras, una basada en las supernovas cercanas y otra en la radiación que quedó poco después del Big Bang, llamada fondo cósmico de microondas (CMB). Este último método da una cifra que es aproximadamente un 10 por ciento menor que la dada por el primero.


Solución:

Bajo la gravedad teleparalela, no hay necesidad de invocar la materia oscura o la energía oscura. En su lugar, tenemos una imagen diferente de cómo la materia ordinaria responde a la gravedad. La inflación sigue ocurriendo, pero es una consecuencia natural del estado del universo primitivo. La tensión de Hubble también desaparece. Si la gravedad opera de forma 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 en principio la tensión de Hubble (véase al principio de este artículo).








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