Una nova idea sobre l'energia fosca

En aquest article relatarem una hipòtesi teòrica més de les moltes que hi pot haver sobre energia fosca, així que és millor no considerar el resultat com una veritat establerta.

Es tracta d'una hipòtesi un tant especulativa, ja que va en contra d'un principi molt estimat a la Física: el de la conservació de l'energia. No obstant això, ha estat ben rebuda dins de la comunitat científica i publicada al Physical Review Letter, la revista més prestigiosa de Física. Així, per exemple, Lee Smolin (Perimeter Institute for Theoretical Physics) ha dit que es tracta d'una "nova idea fresca" i que és "especulativa, però en el bon sentit". Afegeix que "possiblement estigui equivocada", però si resulta certa seria alguna cosa "revolucionària". Altres com George Ellis (Universitat de Ciutat del Cap) també donen suport, amb reserves, al nou estudi.

Si algun físic seriós es veu en la necessitat de renunciar al principi de la conservació de l'energia és que té bones raons per fer-ho o, almenys, per intentar-ho. I la raó en aquest cas, una altra vegada, és la naturalesa de l'energia fosca.

Com ja se sap, la major part de la massa-energia de l'Univers es deu a l'energia fosca. Una energia que està per tot l'espai i que funciona com una pressió negativa que provoca l'acceleració de l'expansió de l'Univers, alguna cosa mesurada gràcies a les explosions de supernoves de tipus Ia.

L'explicació més natural al fenomen és l'existència d'una constant cosmològica. El dolent és que, encara que així sigui, el valor d'aquesta sembla fixat d'alguna manera des de l’exterior. Es podria pensar que aquesta constant procedeix del valor de l'energia del buit que vindria donat per la Teoria Quàntica de Camps. Però si es realitzen les operacions d'aquesta disciplina amb cura,  surt un valor de l'energia del buit que és 120 ordres de magnitud superior. És a dir, si la quàntica és correcta, se saben fer els càlculs i no hi ha un embornal o cancel·lació de cap tipus, llavors l'Univers hauria d'haver autocol·lapsat només néixer. Si hi ha una mena de cancel·lació llavors és pitjor, ja que es necessita un ajustament molt fi per compensar aquests 120 ordres de magnitud i deixar un infinitèsim com la resta. Això significaria que l'Univers és el resultat d'un miracle.

L'energia fosca, a més d'explicar-se segons la idea de la constant cosmològica pot explicar-se amb altres hipòtesis, com la de quinta essència, que assumeix que aquesta energia fosca pot variar en el temps i, fins i tot, canviar de signe, de manera que seria possible una contracció futura de l'Univers.

Ara Alejandro Perez, Thibaut Josset (tots dos de la Universitat d’Aix a Marsella) i Daniel Sudarsky (Universitat Autònoma de Mèxic) proposen que l'energia fosca o la "constant cosmològica" és en realitat tota l'energia no conservada en la història de l'Univers. Per tant, no es tractaria d'una constant, ja que el seu valor variaria al llarg del temps, ja que augmentaria quan l'Univers perd energia i disminuiria quan la guanya.

Aquesta "constant" semblaria que no està canviant en l'Univers actual, ja que en aquesta època la densitat és baixa en ser el seu ritme de canvi proporcional a la densitat de massa de l'Univers. Així que, sota aquesta idea, l'energia quàntica del buit no contribuiria a la constant cosmològica.

A la Relativitat General (RG), com en la Mecànica Newtoniana, es conserva l'energia. Això és expressat com la conservació del tensor energia-moment T μν. A energies petites les components d'aquest tensor són reduïdes i això implica que l'espai és pla.

Segons aquesta hipòtesi, cada violació de la conservació de l'energia pot ser molt petita, però el seu efecte acumulatiu al llarg de la història de l'Univers pot donar lloc al que anomenem energia fosca.

Una explicació a aquestes violacions vindria d'una teoria quàntica de la gravetat de la que no tenim. Es creu que els efectes quàntics de la gravetat han d'afectar l'espai-temps a l'escala de Planck i que aquest ha de tenir certa textura o estar compost d’àtoms d'espai-temps. Seria aquesta granularitat la qual, especulant, podria donar lloc a aquesta violació de la conservació de l'energia.

La RG no admet aquestes violacions, encara que es podria introduir ad hoc si es desitja. Aquests investigadors han fet servir el que s'anomena gravetat unimodular per introduir aquestes violacions. Llavors van limitar la quantitat d'energia perduda per l'Univers perquè fos consistent amb l'homogeneïtat i isotropia a gran escala observades en l'Univers (principi cosmològic). Com a resultat van veure que les equacions unimodulars generaven un fenomen que es comportava com una constant cosmològica, tot i que no van poder calcular el valor exacte d'aquesta constant cosmològica.

A més, van desenvolupar un parell de models fenomenològics en els quals no hi havia conservació de l'energia. En un  descriu com la matèria es propagaria en un espai-temps granular com el que suposadament descriuria una teoria quàntica de la gravetat. L'altre consisteix en una modificació de la mecànica quàntica que té en compte la desaparició de la superposició d'estats a escala macroscòpica. Tots dos models contenen paràmetres que es poden ajustar per fer-consistents amb els valors mesurats en la realitat (bàsicament una cota molt petita compatible amb una pèrdua d'energia zero).

Van poder observar que, llavors, es generava una constant cosmològica del mateix ordre de magnitud que la que mesura per a l'energia fosca.

Així que, encara que cada violació de la conservació de l'energia sigui molt petita deguda a aquesta granularitat de l'espai-temps, l'efecte acumulat al llarg de la història de l'Univers dóna lloc a l'energia fosca i a l'acceleració de l'expansió.

Un avantatge d'aquesta hipòtesi és que prediu una conservació efectiva de l'energia a escala del Sistema Solar, es tracta d'una regió molt petita comparada amb tot l'Univers i ser les pèrdues d'energia tan petites. Això és compatible amb les observacions, ja que no s'ha detectat cap violació de la conservació de l'energia en el Sistema Solar.

Els autors especulen encara més per dir que una variació de la constant cosmològica basada en la no conservació de l'energia podria apuntar a una llei de conservació encara més abstracta. De la mateixa manera que la calor (una forma d'energia) és emmagatzemada en el moviment caòtic d'un gas, la 'constant' cosmològica podria ser energia emmagatzemada en la dinàmica dels àtoms d'espai-temps i realment no es perdria. Per tant, aquesta energia podria semblar que realment s'ha perdut només si assumim que l'espai-temps és suau i no té cap textura.

Pérez diu que en el futur potser sigui possible posar a prova la idea mitjançant l'observació de supernoves de manera molt precisa al llarg de diferents distàncies (moments en la història de l'Univers). Amb això es podria saber si l'acceleració de l'expansió de deu a una constant que no varia o tot el contrari, el que donaria suport a aquesta hipòtesi.

Font: NeoFronteras