Física

Los físicos se preocupan por la nada
Cosmología

Como el aprendiz de brujo, que no podía hacer desaparecer los espíritus que había conjurado, los astrofísicos tratan, con cada vez mayor desesperación, refutar un descubrimiento asombroso anunciado a principios de 1998: las galaxias distantes se están alejando cada vez más rápidamente, impulsadas por una marea formada por el espacio aparentemente vacío. Aunque los científicos saben desde hace tiempo que el universo está en expansión, habían asumido que la expansión era cada vez menor por la atracción gravitatoria de las galaxias. En vez de eso, dos grupos de astrofísicos anunciaron que algún tipo de efecto antigravitatorio parece acelerar la expansión. El descubrimiento supone todo un desafío a las teorías convencionales.

Después de dos años de esfuerzos para conseguirlo, los datos procedentes de observaciones apoyan la conclusión. El pasado mes de octubre (año 1999), una objeción, sutil pero prometedora, a las medidas sobre la aceleración de la expansión por parte de un grupo de astrónomos se quedó en la cuneta tras un nuevo análisis de sus datos. Y el mes siguiente, un equipo diferente de astrónomos comunicó sus observaciones de las arrugas en los gases del universo joven, antes de que se hubieran formado las estrellas y las galaxias.

Aunque las observaciones apoyan la teoría de cómo comenzó el universo, la del Big Bang o Gran Explosión, también proporcionan nuevas pruebas de la existencia de algo inquietante que en la inmensidad del espacio parece actuar contra la gravedad. Así que los científicos están en general aceptando la noción de que algo está mal en las teorías fundamentales de la física.

"Ahora mismo, tenemos este problema, no sólo para la cosmología sino también para la teoría de partículas elementales", dice Steven Weinberg, catedrático de Física y Astronomía de la Universidad de Tejas, y premio Nobel compartido en 1979 por su trabajo en las teorías de la física de las partículas elementales. Para explicar sus observaciones, los científicos señalan que deben responder a una pregunta que parece paradójica: ¿Cuánto pesa el vacío?

El vacío está lleno

Aunque la respuesta se ha resistido desde que Einstein primero hizo la pregunta hace más de setenta años, los físicos se sienten cómodos con la idea de que un vacío aparentemente perfecto puede pesar algo. Según la teoría de la física de partículas elementales, incluso el vacío está lleno de campos que contienen energía y partículas evanescentes que pasan de existir a no existir, proporcionando cuerpo a la nada.

Pero cuando los físicos tratan de utilizar las teorías convencionales para calcular cuánta energía puede residir en el vacío, el resultado es un vacío tan monstruosamente pesado que haría explotar el universo. Las galaxias, las estrellas, los planetas y la vida nunca se podrían haber formado.

"Es el problema más embarazoso de la física teórica", dice Michael Turner, cosmólogo de la Universidad de Chicago. "Cada intento de calcular el peso ha llevado a una respuesta absurda". Franck Wilczek, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, dice que el problema de la nada "puede ser lo más misterioso fundamentalmente de la ciencia básica". Jeff Harvey, de la Universidad de Chicago dice: "En realidad, la gente no tiene la menor idea de cómo resolver este problema".

Algunos físicos han ido tan lejos para evitar el problema que simplemente dicen que el peso calculado del vacío es el producto de teorías imperfectas y que existe algún otro habitante extraño del espacio vacío que está alejando las galaxias unas de otras. Llaman, a esta forma de energía variable y fluida, quintaesencia. Según Einstein esta "extraña energía" sería tan diferente de la materia y la energía normales que tendría el efecto gravitatorio contrario, produciendo repulsión en vez de atracción.

Aunque el peso del vacío debería ser el mismo a lo largo del tiempo cósmico, y acelerar la expansión de forma constante, la intensidad de la quintaesencia podría ser variable. Dado que la clave de estos cambios puede estar en las propiedades de la materia y del espacio tal como existen en rangos de energía inalcanzables en la Tierra, el universo se podría convertir de hecho en un experimento gigante de física, dice Andreas J. Albrecht, físico de la Universidad de California.

Con quintaesencia o sin quintaesencia, hasta que se resuelva el problema del peso, los físicos no tienen más remedio que reconocer que no tienen una teoría completa sobre el universo. Y las observaciones sobre la expansión acelerada del universo tienen una cosa buena, que han ayudado a hacer más sólidas otras teorías cósmicas, especialmente una que predice la cantidad de materia y de energía existente en el universo y explica cómo se formaron las grandes estructuras. Esto hace que resulte imposible olvidar estas observaciones.

Provocadoras medidas

Las provocadoras medidas fueron anunciadas el año 1998 por dos equipos de astrónomos, uno liderado por Saul Perlmutter, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EEUU), y otro por Brian Smith, de los Observatorios Mount Stromlo y Sidding Spring (Australia). Los investigadores utilizaron la inesperada baja luminosidad de explosiones estelares en galaxias lejanas para mostrar que la expansión cósmica ha estado acelerándose.

"Para la mayoría de los astrónomos, fue algo muy incómodo y perturbador", dice Robert Kirshner, miembro del equipo de Smith en el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian. De hecho, las nuevas observaciones de la aceleración cósmica eran tan perturbadoras, dice Albrecht, que "la postura razonable a tomar es que las observaciones estaban equivocadas".

Así que los astrónomos han hecho todo lo que han podido para encontrar un error. Pero desde el primer anuncio, docenas de nuevas observaciones no han hecho sino confirmarlo.

Si existe un brujo en este cuento de la nada, ése sería Einstein, que formuló su teoría de la relatividad general en 1915. Esta teoría describe con éxito cómo la gravedad curva el espacio y mueve las galaxias, las estrellas, los planetas y otras formas de materia en el cosmos. Pero cuando Einstein aplicó su teoría a todo el universo, que en aquel momento se creía que era estático y permanente, se dio cuenta de que la atracción mutua de todas sus galaxias les haría colapsar unas sobre otras rápidamente en un cataclismo.

Así que Einstein teorizó en 1917 que debía existir alguna otra fuerza que mantuviera separados los componentes del universo. Llamó a este factor "la constante cosmológica" y la definió como una energía uniforme que permea todo el espacio. Debido a la ecuación de Einstein que describe la equivalencia de la masa y la energía (E=mc2), la energía de la constante cosmológica puede ser considerada también como masa, o peso.

"Mayor equivocación"

Unos pocos años después, sin embargo, Einstein empezó a reconsiderar este factor. Para entonces, los astrónomos habían descubierto que las galaxias se están alejando unas de otras como consecuencia de la Gran Explosión que dio origen al universo. La gravedad, como mucho, frenaría esta expansión y causaría un nuevo colapso dentro de centenares de miles de millones de años.

Así que el famoso factor era innecesario y Einstein lo definió como su "mayor equivocación". Así que el descubrimiento de que Einstein podría haber tenido razón en primer lugar ha desorientado a los físicos. "Claramente, existe algo de lo que nadie se da cuenta" dice Wilczek, que vive en la misma casa que habitó Einstein en Princeton.

El problema del peso "sería el número 1 en mi lista de temas a resolver", dice Edward Witten, otro físico del mismo instituto que utiliza una teoría avanzada denominada la teoría de cuerdas para tratar de unificar lo que se conoce sobre las interacciones de todas las partículas en el universo.

La urgencia del caso ha llevado a Weinberg y a otros a sugerir lo que algunos físicos consideran algo desesperado. Ha planteado la posibilidad de que existan muchos universos procedentes del Big Bang, gran parte de los cuales tienen enormes constantes cosmológicas que son incompatibles con la vida. Pero, por suerte, unos pocos universos tendrían vacíos más ligeros, como el de nuestro universo, y sólo en tales universos podría existir la vida y los físicos que se plantearan este problema.

Ni siquiera Weinberg parece convencido de que esta solución sea la correcta. En un artículo sobre el tema, incluyó un poema de Hughes Mearns que captura la frustración sin fin que los físicos sufren al enfrentarse al cálculo del peso de la nada: "Mientras subía la escalera/Me encontré con un hombre que no estaba ahí/Seguía sin estar ahí hoy/Desearía, desearía que no estuviera".


Autor: Jamez Glanz. Nueva York, 1999-12-29