¿Puede la Teoría de Cuerdas explicar la expansión acelerada del Universo?

Una nueva conjetura está revolucionando a los físicos, especialmente a aquellos que creen y sustentan la Teoría de Cuerdas, la idea según la cual las partículas subatómicas, que generalmente se representan como puntos, consisten en realidad en la vibración de objetos aún más pequeños y cuyo aspecto recuerda al de cuerdas o filamentos. Un electrón, por ejemplo, no sería un simple punto sin estructura interna, sino un conjunto de cuerdas minúsculas que vibran en un espaciotiempo de once dimensiones.

Recientes investigaciones parecían haber conseguido arrinconar e invalidar en gran parte la teoría, pero el autor de la nueva hipótesis, el físico Timm Wrase, de la Universidad de Viena, le acaba de proporcionar un nuevo balón de oxígeno. Sus resultados, que están provocando acaloradas discusiones académicas en todo el mundo, se acaban de publicar en Physical Review D. El artículo se puede encontrar también en ArXiv.org.

Todo empezó el pasado mes de Junio, cuando un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de California, capitaneados por el físico teórico Cumrun Vafa, publicaron un artículo cuyas conclusiones eran un auténtico mazazo para la Teoría de Cuerdas. De hecho, decía el estudio, esa teoría es "fundamentalmente incompatible" con la energía oscura, pero como resulta que solo con la energía oscura podemos explicar la expansión acelerada del Universo, la Teoría de Cuerdas tenía que estar equivocada.

El destino de la controvertida teoría parecía sellado, pero Timm Wrase se dio cuenta enseguida de que algo extraño sucedía con el artículo de Harvard. Y es que sus conclusiones parecían ser incompatibles con la existencia del bosón de Higgs, que fue descubierto en 2012 por los físicos del CERN, en Suiza. Wrase y sus colegas de las universidades de Columbia en Nueva York y de Heilderberg publicaron entonces sus cálculos en el citado artículo de Physical Review y de inmediato una serie interminable de acaloradas discusiones sobre la Teoría de Cuerdas y la energía oscura empezaron a propagarse por todo el planeta.

Como sabemos muy bien, el mayor desafío de la Física moderna consiste en explicar por qué las leyes que gobiernan la realidad macroscópica (la de los objetos formados por múltiples partículas, como mesas, personas o estrellas) no funcionan cuando se aplican al mundo subatómico de las partículas individuales, que parecen seguir otras leyes completamente diferentes.

En este sentido, la Teoría de Cuerdas ha suscitado muchas esperanzas, ya que parece ser capaz de resolver la cuestión y agrupar en un único cuerpo teórico a todas las fuerzas de la naturaleza para que sean capaces de describir el mundo físico al completo, desde las partículas más pequeñas hasta las estructuras más grandes del Universo. Todo un sueño, pues, para los físicos: un único cuerpo de leyes capaz de explicar la realidad desde lo más pequeño a lo más grande.

A menudo, sin embargo, se ha acusado a la Teoría de Cuerdas de ofrecer una gran cantidad de resultados matemáticos abstractos y muy pocas predicciones susceptibles de ser comprobadas experimentalmente. Pero últimamente esa situación ha cambiado, y la comunidad de físicos que apoyan la teoría discuten ahora sobre una cuestión que está íntimamente relacionada con los experimentos cósmicos que miden la expansión del Universo. Como se sabe, el Universo se expande, es decir, cada vez se hace más grande. Pero no solo crece constantemente, sino que su expansión, además, se está acelerando, de forma que crece cada vez más deprisa. Un hallazgo que valió, en 2011, el Premio Nobel de Física a los investigadores Brian Schmidt y Adam Riess.

ENERGÍA OSCURA Y EXPANSIÓN DEL UNIVERSO

Por lo que sabemos, esa expansión acelerada solo puede explicarse suponiendo que existe una forma adicional de energía. Una energía previamente desconocida y a la que hoy nos referimos como "energía oscura".

Originalmente, la idea viene del mismísimo Albert Einstein, que la agregó en forma de una "constante cosmológica" a su teoría de la Relatividad General. Pero Einsten no hizo eso para explicar un Universo en expansión, sino para todo lo contrario. Para él, en efecto, el Universo era estático y se encontraba en un perfecto equilibrio. Por eso, cuando en 1929 Edwin Hubble demostró sin lugar a dudas que en realidad el Universo se está expandiendo, Einstein calificó la modificación de sus ecuaciones como el mayor error de toda su vida. Los años posteriores, sin embargo, demostraron que Einstein tenía razón incluso cuando se equivocaba, y tras el descubrimiento de la expansión acelerada del cosmos, su constante cosmológica fue reintroducida como "energía oscura" en los modelos cosmológicos actuales.

"Durante mucho tiempo -asegura Timm Wrase- pensamos que una energía oscura como esa podría acomodarse muy bien en la Teoría de Cuerdas". De hecho, la teoría predice la existencia de una serie de partículas adicionales que pueden describirse como campos. Dichos campos tienen un estado de energía mínima, algo parecido a una manzana que permanece dentro de una taza. La manzana siempre estará en el punto más bajo del recipiente, donde ya no se moverá. Si estuviera en cualquier otra parte, su energía sería mayor. Pero el hecho de que se encuentre justo en el fondo no significa que la manzana no tenga energía en absoluto. De hecho, podríamos colocar la taza con la manzana en el suelo, pero también encima de una mesa, donde la manzana tendría más energía, aunque seguiría sin poder moverse porque aún estaría en un estado de energía mínima dentro del recipiente.

"En la Teoría de Cuerdas -prosigue Wrase- existen campos que podrían explicar la energía oscura de una forma similar: localmente, estarían en un estado mínimo de energía, pero aún así su energía tendría un valor superior a cero. Esos campos serían la fuente de la llamada energía oscura. Y con ella podríamos explicar la expansión acelerada del Universo".

De esta forma, y justo cuando la Teoría de Cuerdas parecía estar cobrando nuevas fuerzas, se publicó, el pasado 25 de Junio, el artículo de Cumrun Vafa, de la Universidad de Harvard y uno de los teóricos de cuerdas más renombrados del mundo, en el que sugería que tales campos de energía positiva "en forma de cuenco" no son posibles en la Teoría de Cuerdas.

Y fue Timm Wrase quien se dio cuenta rápidamente de las implicaciones de esta afirmación: "Si eso fuera cierto -afirma el físico- la expansión acelerada del Universo, tal y como la hemos imaginado hasta ahora, no sería posible. La expansión acelerada tendría que ser descrita por un campo con propiedades bastante diferentes, como un plano inclinado en el que una bola rueda cuesta abajo, perdiendo energía potencial". Pero en ese caso, la cantidad de energía oscura en el universo cambiaría con el tiempo, y la expansión acelerada del universo podría algún día llegar a detenerse. La gravedad podría entonces volver a juntar todo el material y comprimirlo en un punto, similar al Big Bang.

Pero esta no es toda la historia. "La conjetura de Cumrun Vafa, que prohibe ciertos tipos de campos -explica el investigador-, también prohibiría cosas que ya sabemos que existen". Cosas como el campo de Higgs, que también tiene propiedades que deberían estar prohibidas en la conjetura de Vafa. Sin embargo, la existencia del campo de Higgs es un hecho comprobado experimentalmente, y su hallazgo hizo merecedores a Peter Higgs y a François Englert del Nobel de Física en 2013.

Sin pérdida de tiempo, en Julio de este año, apenas un mes después de la publicación de Vafa, Wrase hizo públicas sus conclusiones en ArXiv.org. Lo que provocó de inmediato fuertes controversias en la comunidad internacional de físicos. Y ahora su trabajo, tras pasar la revisión por pares, ha sido publicado en Physical Review.

"Esta controversia es algo bueno para la Teoría de Cuerdas -asegura Timm Wrase-. De repente, muchas personas tienen ideas completamente nuevas en las que nadie había pensado antes". Wrase y su equipo investigan ahora qué campos en concreto están permitidos en la Teoría de Cuerdas y en qué puntos violan la conjetura de Vafa. "Tal vez eso nos lleve a nuevas y emocionantes ideas sobre la naturaleza de la energía oscura, y eso sería un gran éxito".

Afortunadamente, las hipótesis que surjan a partir de ahora podrán ser, al menos en parte, comprobadas experimentalmente. En los próximos años, en efecto, misiones como la Euclides, de la Agencia Espacial Europea, podrán medir la expansión acelerada del Universo con más precisión que nunca.

Referencia bibliográfica:

Frederik Denef et al. 2018. de Sitter swampland conjecture and the Higgs potential. Physical Review D. DOI: 10.1103/PhysRevD.98.086004