Las nuevas observaciones que indican que Einstein está equivocado

La teoría de la gravedad de Einstein —la relatividad general– ha tenido mucho éxito durante más de un siglo. Sin embargo, tiene deficiencias teóricas. Esto no es sorprendente: la teoría predice su propio fracaso en las singularidades del espacio-tiempo dentro de los agujeros negros y del propio Big Bang.

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A diferencia de las teorías físicas que describen las otras tres fuerzas fundamentales de la física (la electromagnética y las interacciones nucleares fuerte y débil), la teoría general de la relatividad sólo ha sido probada en gravedad débil.

Las desviaciones de la gravedad de la relatividad general no están excluidas ni comprobadas en todas las partes del universo. Y, según los físicos teóricos, la desviación debe ocurrir.

Desviaciones y mecánica cuántica.

Según Einstein, nuestro universo se originó en un Big Bang. Otras singularidades se esconden dentro de los agujeros negros: el espacio y el tiempo dejan de tener significado allí, mientras que cantidades como la densidad de energía y la presión se vuelven infinitas. Esto señala que la teoría de Einstein falla en estos entornos y debe ser reemplazada por una más fundamental.

Ingenuamente, las singularidades del espacio-tiempo deberían resolverse mediante la mecánica cuántica, que se aplica a escalas muy pequeñas.

La física cuántica se basa en dos ideas simples: los puntos materiales no tienen sentido; y el Principio de incertidumbre de Heisenberg, que afirma que nunca se puede saber el valor de ciertos pares de cantidades con absoluta precisión (por ejemplo, la posición y la velocidad de una partícula). Esto se debe a que las partículas no deben considerarse como puntos sino como ondas; a pequeñas escalas se comportan como ondas de materia.

Esto es suficiente para comprender que una teoría que abarque tanto la relatividad general como la física cuántica debería estar libre de tales patologías. Sin embargo, todos los intentos de combinar la relatividad general y la física cuántica necesariamente introducen desviaciones de la teoría de Einstein.

Por tanto, la gravedad de Einstein no puede ser la teoría definitiva de la gravedad. De hecho, no pasó mucho tiempo después de que Einstein introdujera la relatividad general en 1915 cuando Arthur Eddington, mejor conocido por verificar esta teoría en el eclipse solar de 1919, comenzó a buscar alternativas solo para ver cómo las cosas podrían ser diferentes.

La teoría de Einstein ha sobrevivido a todas las pruebas hasta la fecha, prediciendo con precisión varios resultados, de la precesión de la órbita de Mercurio a la existencia de ondas gravitacionales. Entonces, ¿dónde se esconden estas desviaciones de la relatividad general?

La cosmología importa

Un siglo de investigación nos ha dado el modelo estándar de cosmología conocido como Λ-Materia Oscura Fría (ΛCDM). Aquí, Λ representa la famosa constante cosmológica de Einstein o una misteriosa energía oscura con propiedades similares.

La energía oscura fue introducida ad hoc por los astrónomos para explicar la aceleración de la expansión cósmica. A pesar de ajustar muy bien los datos cosmológicos hasta hace poco, el modelo ΛCDM es espectacularmente incompleto e insatisfactorio desde el punto de vista teórico.

En los últimos cinco años, también se ha enfrentado a graves tensiones de observación. La constante de Hubble, que determina la edad y la escala de distancias en el universo, se puede medir en el universo temprano utilizando el fondo cósmico de microondas y en el universo tardío usando supernovas como candelas estándar.

Estas dos medidas dan resultados incompatibles. Aún más importante, la naturaleza de los ingredientes principales del modelo ΛCDM: energía oscura, materia oscura y el campo que impulsa la inflación del universo temprano (un período muy breve de expansión extremadamente rápida que origina las semillas de galaxias y cúmulos de galaxias) sigue siendo un misterio.

Desde el punto de vista de la observación, la motivación más convincente para modificar la teoría de la gravedad es la aceleración del universo descubierta en 1998 con las supernovas de tipo Ia, cuya luminosidad se ve atenuada por esta aceleración. El modelo ΛCDM basado en la relatividad general postula una energía oscura extremadamente exótica con una presión negativa que impregna el universo.

El problema es que esta energía oscura no tiene justificación física. Su naturaleza es completamente desconocida, aunque una gran cantidad de modelos han sido propuestos. La alternativa propuesta a la energía oscura es una constante cosmológica Λ que, según los cálculos (cuestionables) en la mecánica cuántica, debería ser enorme.

Sin embargo, Λ debe ajustarse increíblemente a un valor pequeño para que se ajuste a las observaciones cosmológicas. Si la energía oscura existe, nuestra ignorancia de su naturaleza es profundamente preocupante.

Alternativas a la teoría de Einstein

¿Puede ser que los problemas surjan, en cambio, del intentar encajar erróneamente las observaciones cosmológicas en la relatividad general, como poner a una persona un par de pantalones demasiado pequeños? ¿Que en realidad estamos observando las primeras desviaciones de la relatividad general mientras la misteriosa energía oscura simplemente no existe?

Esta idea, primero propuesta por investigadores de la Universidad de Nápoles, ha ganado una enorme popularidad mientras que el campo contendiente de la energía oscura sigue siendo vigoroso.

¿Cómo podemos saberlo? Las desviaciones de la gravedad de Einstein están limitadas por experimentos en el sistema solar, las recientes observaciones de ondas gravitacionales y las imágenes cercanas al horizonte de agujeros negros.

Ahora hay mucha literatura sobre teorías de la gravedad alternativas a la relatividad general, remontándose a las primeras investigaciones de Eddington en 1923. Una clase de alternativas muy popular es la llamada gravedad tensorial escalar. Es conceptualmente muy simple ya que sólo introduce un ingrediente adicional (un campo escalar correspondiente a la partícula más simple, sin espín) a la descripción geométrica de la gravedad de Einstein.

Las desviaciones de la gravedad de Einstein están limitadas por experimentos en el sistema solar, las recientes observaciones de ondas gravitacionales y las imágenes cercanas al horizonte de agujeros negros

Las consecuencias de este programa, sin embargo, están lejos de ser triviales. Un fenómeno sorprendente es el “efecto camaleón”, consistente en el hecho de que estas teorías pueden disfrazarse de relatividad general en entornos de alta densidad (como en las estrellas o en el sistema solar), mientras que se desvían fuertemente de ella en el entorno de baja densidad de la cosmología.

Como resultado, el campo extra (gravitacional) está efectivamente ausente en el primer tipo de sistemas, disfrazándose como un camaleón, y se nota sólo en las escalas más grandes (cosmológicas).

La situación actual

Hoy en día, el espectro de alternativas a la gravedad de Einstein se ha ampliado espectacularmente. Incluso añadir una sola excitación escalar masiva (es decir, una partícula de espín cero) a la gravedad de Einstein (y mantener las ecuaciones resultantes “simples” para evitar algunas inestabilidades fatales conocidas) ha resultado en una clase mucho más amplia de Teorías de Horndeski y generalizaciones posteriores.

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Los teóricos han pasado la última década extrayendo consecuencias físicas de estas teorías. Las recientes detecciones de ondas gravitacionales han proporcionado una manera de restringir la clase física permitida de modificaciones de la gravedad de Einstein.

Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer, con la esperanza de que futuros avances en astronomía de múltiples mensajeros conduzcan al descubrimiento de modificaciones de la relatividad general donde la gravedad es extremadamente fuerte.

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Valerio Faraoni es Profesor de Física y Astronomía, Bishop's University. Andrea Giusti es un miembro postdoctoral del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich. Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation y traducido para su publicación en Novaceno. Puede leer el original aquí.