La Catástrofe del Vacío

Por: Dra. Amira Val Baker, Astrofísica de Resonance Science Foundation

Finalmente, todos estamos de acuerdo en que el vacío no hace honor a su nombre y que, de hecho, está repleto de energía. La pregunta ahora es: ¿cuánta energía?

Pues bien, la respuesta a esa pregunta aún no se ha acordado y, como siempre, son los físicos cuánticos y los cosmólogos los que están en disputa. Sin embargo, esta disputa es bastante significativa, concretamente 122 órdenes de magnitud significativas. Esta discrepancia, conocida como la catástrofe del vacío, es nombrada como una de las peores predicciones de la física.

Entonces, por qué la discrepancia... bueno, todo depende de cómo se vea el vacío.

A escala cuántica, los científicos sólo pueden hacer inferencias sobre lo que ocurre. Aunque esas inferencias son bastante acertadas, ya que los físicos cuánticos logran hacer predicciones muy precisas. Sin embargo, este poder de predicción no permite comprender la naturaleza del reino cuántico y, por tanto, del vacío cuántico. Anteriormente se pensaba que no era más que una conveniencia matemática sin ninguna fisicalidad relevante. Este pensamiento se cimentó en 1887 con el experimento de Michelson Morley, que concluyó que el espacio estaba vacío y sin contenido. Sin embargo, por muy doloroso que fuera para algunos, se empezaron a escuchar susurros de este oscuro vacío.

En 1947, Hans Beth demostró que las observaciones espectrales del hidrógeno podían explicarse si se incluían los efectos energéticos de las "fluctuaciones cuánticas del vacío". Grandes científicos como Dirac habían aludido a ese efecto más de una década antes -apodado Mar de Dirac- y, por supuesto, Newton y Maxwell no pensaban en el espacio como algo completamente vacío, sino que lo consideraban más bien como un fluido. Incluso Einstein, en sus últimos años (Einstein in his later years agreed ), estuvo de acuerdo en que "según la teoría general de la relatividad, el espacio sin éter es impensable". Finalmente, en 1996 se midieron los efectos del vacío cuántico, teorizados por Hendrik Casimir y conocidos como el efecto Casimir, verificando así los efectos de este reino intangible. La idea de que el espacio no está vacío parece ser ahora el consenso general, con físicos prominentes como el premio Nobel Frank Wilczek, describiéndonos como "... hijos del éter..." en una conferencia de 2017 titulada "Materialidad de un vacío" (Materiality of a Vacuum”). 

Cuando dos placas metálicas se colocan en el vacío, se empujan entre sí. Esto se debe a que el vacío contiene en realidad energía que existe en diferentes modos de vibración - ondas. Algunas de las ondas ocuparán el espacio entre las placas de metal y otras ocuparán el espacio exterior, y sólo las ondas suficientemente pequeñas ocuparán el espacio entre las placas. La diferencia de densidad de energía en cada lado de la placa, da lugar a una fuerza de atracción entre las placas.

Por lo tanto, ahora se trata de medir este mar infinito de energía, lo que puede hacerse simplemente sumando la energía más baja posible de un oscilador armónico sobre todos los modos posibles. Sin embargo, cuanto más corta sea la longitud de onda del modo vibratorio, más alta será la frecuencia y, por tanto, mayor será la contribución a la densidad de energía del vacío, lo que da como resultado una densidad de energía del vacío infinita. Por lo tanto, primero tenemos que definir nuestro marco de referencia y sólo incluir las longitudes de onda que sean mayores que ese marco de referencia. El marco de referencia obvio es el de la longitud de Planck, que es la unidad de longitud más pequeña del Universo (al menos dentro de nuestro universo).  Esto da un valor gigantesco de 10⁹³ g/cm³ - ¡lo que es muy muy denso!

Sin embargo, cuando miramos el extremo opuesto de la escala -la escala cosmológica- encontramos un valor que es menor en un orden de 122 magnitudes. Para realizar mediciones de la densidad de energía del vacío a esta escala, tenemos que basarnos en las observaciones de los astrofísicos y en algunas suposiciones sobre el modelo cosmológico.

La primera suposición es que vivimos en un universo homogéneo e isotrópico. En otras palabras, el universo se ve igual desde todos los lugares (homogeneidad) y no tiene una dirección preferida (isotrópico) - sin embargo, esta suposición implica que el universo no está girando, pero esto lo dejaremos para otra ocasión.

La segunda suposición es que a grandes escalas, el universo parece plano. Ahora bien, como en la mayoría de las cosas en el Universo, incluido el Universo, hay un punto crítico, en el que se produce el cambio. El modelo actual afirma que vivimos en un universo plano y, para que esto sea cierto, la densidad de energía de la masa total del universo debe ser igual a este valor crítico. Según las observaciones actuales, el mundo material sólo representa el 5% de esta densidad crítica del universo, mientras que la materia oscura (27%) y la energía oscura (68%) representan el resto.

La tercera hipótesis es que el universo está en expansión. Propuesto originalmente en 1972 por el astrónomo y cosmólogo belga Georges Lemaître, quien postuló teóricamente que el universo comenzó con la explosión cataclísmica de un pequeño superátomo primigenio. Esta idea sorprendió a los científicos de la época, ya que se creía que el universo era estático.

Sin embargo, en 1929, mientras realizaba un estudio observacional de las galaxias, Edwin Hubble descubrió que la velocidad de recesión de las galaxias aumentaba con el incremento de la distancia, es decir, que el espacio entre las galaxias se está expandiendo. La tasa de expansión, conocida ahora como la constante de Hubble, es el principal parámetro en los modelos del Universo en expansión.

Otra constante familiar, conocida como la constante cosmológica, fue introducida por Einstein en 1917 para impedir que el universo se expandiera como habían predicho sus ecuaciones. Sin embargo, a la luz del descubrimiento de Hubble, Einstein se dio cuenta de que sus ecuaciones eran correctas y, por tanto, eliminó la necesidad de la constante cosmológica.

Con el tiempo se descubrió que el universo se expandía a un ritmo acelerado, por lo que, a pesar de su eliminación, se reintrodujo como una energía "negativa" que se pensó que impulsaba la expansión. Así, aunque sea una constante, su presencia no parece ser tan constante. ¿Debería estar aquí o no, esa es la cuestión?

Bien, suponiendo que el Universo está impregnado de una forma de energía (también conocida como energía oscura) y que representamos esa energía en términos de la constante cosmológica, la respuesta es que sí debería estar aquí. Sin embargo, en lugar de ser un mero factor aditivo, la constante cosmológica está acoplada a la densidad, concretamente a la densidad crítica de 10^-29 g/cm³, ¡lo que es 122 órdenes de magnitud menor que la predicha por la teoría cuántica de campos!

Para entenderlo mejor y resolver esta discrepancia, tenemos que empezar con una visión cuantizada del universo desde lo más pequeño hasta lo más grande. El modelo holográfico generalizado introducido por Nassim Haramein ofrece una visión de este tipo -y se trata de esas unidades de Planck- que define el bit de información cuantizada fundamental, o voxel, del universo.

En este modelo, la energía -o la información- de cualquier sistema esférico es proporcional al número de unidades esféricas de Planck (PSU) o voxels dentro del volumen esférico y al número de voxels disponibles en el horizonte de la superficie esférica. Esta relación holográfica entre el interior y el exterior define la densidad de masa-energía del sistema, mientras que la inversa define la masa expresada por el sistema en un momento dado.

Si pensamos en la masa del protón en términos del número de vóxeles que contiene, encontramos una densidad de masa-energía equivalente a la masa del Universo. Si esta energía del vacío presente en el volumen de un protón se expande hasta el radio del Universo, la densidad de energía del vacío de ese Universo, equivaldría al valor de la constante cosmológica de 10^-29 g/cm³. Curiosamente, el valor hallado a partir de este enfoque da el valor de la materia oscura, lo que sugiere que la materia oscura es el efecto de la energía interior del protón o la densidad de energía del vacío a escala del protón.

Del mismo modo, al observar la energía exterior disponible en términos de vóxeles de Planck, en el horizonte de la superficie de un universo de envoltura esférica, se encontró que equivale exactamente a la densidad crítica del Universo sin requerir la adición de materia y energía oscuras. Es decir, si escalamos la densidad de energía del vacío a la escala de Planck (10⁹³ g/cm³) por la proporción de esa energía disponible en un horizonte de superficie esférica, encontramos que a medida que el horizonte se expande hasta el tamaño de nuestro universo, la densidad de energía del vacío disminuye en 122 órdenes de magnitud.

Es como si un protón hubiera escapado de otro universo y se hubiera expandido para formar el nuestro, como el superátomo primigenio en expansión de Lemaître. También se podría concluir, a partir de nuestra comprensión de la energía -o de la información-, que el universo se expande y acelera porque está aprendiendo sobre sí mismo y, por tanto, necesita más superficies para almacenar la información holográfica. El ritmo de expansión se rige, pues, por un gradiente de presión debido al potencial de transferencia de información en el horizonte.

Esta visión cuantizada del universo no sólo permite resolver la catástrofe del vacío, sino que también ofrece una visión de la evolución y la dinámica de nuestro universo. Los detalles de este trabajo se han publicado recientemente en la revista de Física de altas energías, gravitación y cosmología: Journal of High Energy Physics, Gravitation and cosmology.