Los autores de libros de divulgación se suelen llenar la boca hablando del futuro del universo. La filosofía tradicional en Relatividad General es que la geometría determina el destino del universo. Sin embargo, la existencia de una constante cosmológica (también llamada energía oscura) implica que la correspondencia uno-a-uno entre la geometría y la evolución del universo se ha perdido para siempre. La única manera de conocer el futuro del universo es descubrir cómo evoluciona la energía oscura y para ello necesitamos una explicación de su origen que nos permita saber cómo evolucionará en el futuro. La existencia de la energía oscura implica que no existen observaciones cosmológicas que se puedan realizar en la actualidad que nos permitan decidir sin ambiguedad cuál será el destino final del universo. Nos lo contaron Lawrence M. Krauss y Michael S. Turner, «Geometry and Destiny,» Gen. Rel. Grav. 31: 1453-1459, 1999 (gratis en ArXiv).
En la actualidad creemos que la ecuación de estado de la energía oscura es p = ω ρ, donde p es la presión, ρ la densidad y ω=–1. El problema es que pequeñas variaciones en el valor de ω, incluso tan pequeñas como una parte en mil (más allá de lo que podremos medir en las próximas décadas), acabarán dominando el futuro del universo a largo plazo. La única solución al problema será obtener una explicación microfísica al origen de la constante cosmológica capaz de predecir su evolución futura.
En mi opinión, basada en coherencia teórica, la «constante» cosmológica de Einstein (lambda) varía inversamente proporcional al cuadrado del factor de escala del universo. Esto permite, entre otras cosas, tener los términos de las ecuaciones cosmológicas de Einstein con el mismo orden de magnitud, independientemente de la edad del universo que se considere. Por tanto desaparece el problema de la «coincidencia», o lo que es lo mismo, no estamos en ningún tiempo especial físicamente hablando. Pero, y es un gran pero, las observaciones actuales para el parámetro de desaceleración q, implican que el universo se está expandiendo aceleradamente, con velocidad cada vez mayor. Tomando un valor teórico inicial para la q, generalmente aceptado como 0.5, y el valor de q hoy del orden de -o.5 , sugiere una variación lineal decreciente para q. Al ser q cada vez más negativa (lo que implica una aceleración de la expansión cada vez mayor, el universo se «esparce» al infinito en un tiempo relativamente corto (dos o tres veces su edad actual) Es el así llamado «big rip» o desgarramiento total. Y esto ocurriría en un tiempo finito. Sería una disgregación de todo lo existente y no quedaría «nada». Aunque la «constante» lambda disminuya con el tiempo, sin embargo su efecto expresado en fuerza expansiva es constante, por lo que consigue que el tamaño del universo tienda a infinito en un tiempo finito. Sólo las próximas observaciones del valor de q, quizá en 10 años más de observación, nos sacará de dudas…………
Tengo muchas dudas…
Para empezar por algún lado…, tenía entendido por esta conferencia de Lawrence Krauss (http://www.youtube.com/watch?v=Fs_MwYZHm7g&feature=player_embedded) que ya sabemos que el destino del Universo es expandirse y expandirse…
2) Pensaba que la materia oscura es aquella que no tiene luz propia y por tanto, no puede «verse», pero es diferente de la materia a la que tenemos aquí en la Tierra (que no brilla? (Quizá es una duda elemental, pero yo me estoy perdiendo…)
3) En 2011 se dio el Premio Nobel de Física a algo de la materia oscura: la habían cuantificado, ¿o estoy equivocada?
Gracias y un saludo
Ununcuadio, te estás equivocando, la materia oscura y la energía oscura no tienen nada que ver la una con la otra, nada que ver.
3) El Nobel de 2011 fue a la energía oscura (el descubrimiento de la expansión cósmica acelerada usando supernovas Ia como candelas).
2) La materia oscura es «materia» (su ecuación de estado corresponde a la de la materia) que no interacciona con la materia (ordinaria) mediante las interacciones del modelo estándar (electromagnetismo, interacción débil e interacción fuerte). Por tanto, no puede emitir fotones («brillar»), ni neutrinos, ni electrones, ni nada de nada. La única interacción común a la materia oscura y a la ordinaria es la gravedad.
¿Cómo entonces es posible buscar la materia oscura en la Tierra? Los detectores de materia oscura realizan búsquedas directas gracias a la posible interacción de la materia oscura con la ordinaria mediada por el bosón de Higgs. Una partícula de materia oscura colisionaría con un núcleo de un átomo del detector provocando su retroceso (midiendo la energía de retroceso se puede conocer la posible masa de la partícula incidente). Hasta el día de hoy ningún experimento de búsqueda directa de materia oscura que haya obtenido una señal indiscutible (aunque hay varias prometedoras).
1) La charla de Krauss está muy bien. De hecho es uno de los autores del artículo que ha dado pie a esta entrada.
En la charla de Krauss hay una cosa que no entiendo bien: es entre el minuto 20 y 24 aproximadamente, cuando habla de la energía del vacío. Resulta que los cálculos dicen que es 10^120 veces la energía de la materia (contando la «normal» y la «oscura»), y en el min 23:00 dice que está mal y que «supimos que la respuesta era cero (…) porque no puedes cancelar un número como ese».
No entiendo esa afirmación ni lo que dice después: ¿Qué tiene que ser cero, la energía del vacío, o la curvatura del universo para que así los términos de materia-energía («materia normal-oscura» – «energía oscura») se anulen entre sí en la ec. Einstein? Como más adelante dice que el universo es plano…
Gracias.
M.I. lo que dice Krauss es lo siguiente. Si la energía oscura es la energía del vacío del modelo estándar, podemos calcular su valor y resulta que se obtiene un valor 10^120 veces mayor que el observado (de hecho unos 10^120 veces mayor que la contribución energética de toda la materia del universo, lo que no tiene ningún sentido, pues entonces ni tú ni yo existiríamos). Durante muchos años (hasta 1998) todos los teóricos pensaban que había una simetría en el universo (desconocida entonces y ahora) que hacía que dicho valor era exactamente cero (la contribución del vacío a la energía de todo el universo era exactamente cero); la razón es sencilla, para un físico un valor igual a 10^-120 de algo es «exactamente» cero, lo mires como lo mires. Pero en 1998 descubrimos la energía oscura (el 73% del universo, más o menos). Ya se intuía antes, pues a principios de los 1990 todos los datos cosmológicos indicaban que la edad del universo era menor que la edad de la Tierra, lo que no tiene ningún sentido e indica que faltaba «algo,» pero no se supo seguro hasta 1998.
¿Qué significan las palabras de Krauss? Muy sencillo, la respuesta obvia a qué es la energía oscura, que es que se trata de la energía del vacío, tiene que ser falsa. La energía oscura debe ser otra cosa, pero no sabemos qué es. Se comporta como si fuera la energía del vacío, pero no puede serlo. Cuando se añade la supersimetría, la energía del vacío es solo de unos 10^60 el valor observado (porque la SUSY cancela ciertas contribuciones). Muchos físicos creen que alguna teoría aún por descubrir permitirá de igual forma cancelar los 10^120 órdenes de magnitud de error y nos explicará por qué la energía del vacío es tan pequeña como indican los experimentos cosmológicos. Pero por ahora no tenemos ni idea sobre este tema.
En resumen, si la energía oscura es la energía del vacío, por alguna razón es muy pequeña, pero muy pequeña. Debe existir alguna razón (más allá del modelo estándar).
Francis, una explicación muy clara, gracias. Por si acaso se te ocurre algo para utilizar lo siguiente, te lo digo: la entropia del universo es del orden de 10^122 k, k de Bolzmann. Es claro que el universo equivale a 10^61 agujeros negros cuánticos de Planck (10^61 multiplicado por la masa de Planck nos da la masa del universo). Luego, sorprendentemente paramí, la entropía de Planck ¡¡ NO ES k !! , es 10^61 k . verdaderamente sorprendente. Siempre creí que la entropía de Planck era simplemente k ¿qué te parece?
La ecuación de estado de la materia oscura NO es la de la materia bariónica. Tiene una forma particular y se debe calcular a partir de la consideración de la ecuacion de Poisson y la ecuación de Euler.
Gracias por las aclaraciones.
Lo de la materia oscura lo tenía bastante claro.
Ahora bien, ¿qué es la energía oscura?
Ununcuadio, nadie lo sabe, nadie sabe lo que es la energía oscura. Mucha gente confunde constante cosmológica y energía oscura pero son cosas distintas desde el punto de vista conceptual porque están en miembros distintos de la ecuación de Einstein; la constante cosmológica está en el término geométrico de la izquierda y por tanto es geometría; la constante asociada a la energía oscura está en el término de la derecha y por tanto es parte del contenido de materia-energía del universo. Puede parecer una chorrada cambiar de sitio una constante, pero no lo es pues el cambio tiene un significado. Más aún cuando todos los indicios cosmológicos apuntan a que la energía oscura evoluciona conforme el universo se expande.
Muchos físicos dicen que la energía oscura es la energía del vacío pero los cálculos según el modelo estándar indican que la energía del vacío es 120 órdenes de magnitud más grande que la energía oscura (si se incluye la SUSY es solo de unos 60 órdenes de magnitud). La evolución de la energía oscura durante la expansión se explica porque el universo gana vacío al expandirse. Pero, realmente, nadie sabe (aún) lo que es la energía oscura.
Quizás sea el mayor problema a resolver por la física del siglo XXI.
En un comentario reciente pronostiqué que la acción centrífuga de la energía oscura hará que el universo se desintegre por muerte térmica. Los universos locales pueden neutralizar su entropía orientándose hacia otra dimensión; por ejemplo, nuestro universo sería el producto de un agujero negro en expansión cuya energía es aquella que no se perdió en el proceso de muerte térmica del universo progenitor. Al menos algunos universos tienen que tener varias dimensiones, porque si son planos/tridimensionales no veo de qué manera neutralizan la entropía que producen.
En mi opinión, Einstein fue consciente de la disparidad de las dos miradas con que vemos el cosmos: la energética y la geométrica. De un modo intuitivo pienso que ambas miradas son conciliables, pero reconozco que el aparato matemático y experimental para probarlo es complejo.
El término oscuro aplicado a la materia y energía es ciertamente intrigante y da a pie a proponer hipótesis exóticas, por no decir extravagantes. Pienso que la gravedad está relacionada con la energía oscura, de hecho la energía oscura es gravedad repulsiva. Este asunto también sugiere otra batería de hipótesis.
Si la geometría fuera esférica ¿se imaginan el tamaño del universo para que a a la mayor escala de todas parezca plano? Me gustaría especular que la aceleración de la expansión en esta parte del universo esta relacionada con una desaceleración en otra parte aledaña pero mas aleada, de tal manera que la aceleración fuera dinamica y no estuviera determinada aun sino que hasta que dicha dinámica se estabilice? Solo quiero decir que la aceleración que nosotros midamos no tiene porque ser la aceleración global.
Bueno, pongo mi opinión personal:
Estamos en un agujero negro, por tanto la energia-masa del universo no es constante, sino que va creciendo conforme se agrega mas materia y mas agujeros negros-universos a nuestro universo
El universo solo crece cuando se agrega materia, por lo que su tamaño es solo factor de la masa
La gravedad no es solo atractiva, sino tambien repulsiva en el mismo grado, me explico: al crearse a partir de energia una particula (o un par de particulas), se crea una onda de repulsión y detras viene la onda de atracción, si se representa el campo gravitatorio anbas partes de la grafica tienen la misma superficie, pero la cresta de la onda se aleja a velocidad de la luz y al final cerca solo aparece la parte atractiva, pero a costa de una repulsión global a gran escala, ¿se entiende esto ultimo? ¿alguien lo ha formulado ya?
Para imaginarlo hay que inventarse que pasa cuando en un espacio vacío chocan dos fotones y crean una particula en reposo y ver como esta onda gravitatoria se crea y avanza, yo supongo que en un punto no muy lejano, llega primero una gravedad negativa y despues cambia a positiva, el cambio es suave y con el tiempo tiende a ser cercano a la grafica de newton
#Nimux#
Resulta curiosa tu descripción de la onda gravitatoria repulsiva, me pregunto por qué a continuación aparece el reflujo negativo. El mismo concepto de gravedad parece ambiguo, Einstein coligió que la gravedad es aceleración pero no descartó la imagen geométrica del asunto, dijo que la deformación producida por las masas comba el espacio. Si los efectos de la gravedad son siempre atractivos, tiene que haber un atractor permeando la energía oscura ya que ésta centrifuga la materia ordinaria.
Hola, Francis. Me sorprendió leer esto que escribes:
“Pero en 1998 descubrimos la energía oscura (el 73% del universo, más o menos). Ya se intuía antes, pues a principios de los 1990 todos los datos cosmológicos indicaban que la edad del universo era menor que la edad de la Tierra, lo que no tiene ningún sentido e indica que faltaba “algo,” pero no se supo seguro hasta 1998”.
Si los científicos pensaban que primero estaba la Tierra y después el universo, quiere decirse que la óptica antropocéntrica de raigambre aristotélica sigue vigente, al menos en un plano subyacente del imaginario humano. A este respecto me gustaría recordar que los filósofos de la naturaleza de siglos pretéritos (teóricos y empíricos) tenían las cosas claras sin más ayuda que su sentido común. Supongo que observando los hechos con el prisma de algún principio de jerarquía coligieron que lo pequeño procede de lo grande: del sol, las constelaciones y la galaxia. De este modo nuestro planeta queda en un peldaño inferior de la escala.
En 1755 Inmanuel Kant, filósofo del conocimiento y de la naturaleza, conjeturó que el sol se creó a partir de la rotación y contracción de una nube gaseosa primigenia. Cuarenta años después Laplace refina la conjetura kantiana y alumbra una explicación de la génesis solar basada en la existencia de una nube gaseosa incandescente y rotatoria que se enfriaba y contraía con lentitud. Señaló que al contraerse aumentaba su velocidad angular y de giro, su fuerza centrífuga. De todo este proceso nacían el sol y sus planetas por desprendimientos sucesivos de anillos de materia.
Valgan estas anécdotas para sorprendernos por los defectos epistémicos de la ciencia, un dato que certifica la versión débil de la teoría falsacionista de Karl Popper. Más allá de las mejoras técnicas y teóricas de la ciencia actual, lo que importa es tener en mente los rasgos clave del modelo que se estudia. En este sentido hay modelos infalsables o débilmente falsables. Esto nos llevaría a otra discusión acerca de los mecanismos gnoseológicos del razonamiento humano, pero lo dejo aquí.
Artemio, a mediados de los 1980, la idea más en boga para explicar por qué el universo parecía tan joven, cuando en realidad era mucho más viejo, era la «quintaesencia» cuya ecuación de estado era p=-rho/3, pero fue descartada a finales de los 1990 cuando se descubrió la «energía oscura» cuya ecuación de estado p=-rho.
Después de escribir mi comentario estuve pensando cuál fue el camino (porque lo desconozco) que permitió contrastar la edad del planeta y del universo, tu comentario me permite saber de la existencia de la ecuación que mencionas. Mi apunte sobre los errores epistemológicos de la ciencia no es en ningún modo peyorativo, simplemente vi una rendija para indicar como los modelos científicos admiten diferentes enfoques, unos más eficaces que otros, unos más falsables que otros. Gracias.
Francis: Me gustaría formular lo siguiente sobre la energía oscura a raíz de esta entrada y es si podría ser candidata a explicar el origen de nuestro universo. Una burbuja de falso vacío con una única característica, presión negativa que quisiera identificar como energía oscura. El espacio no ha sido creado, no existe, luego al no tener por donde expandirse, esta burbuja alcanza una presión, energía y densidad infinita, una singularidad implosiva, en si misma, dando origen al la gran explosión contemplada por la teoría del Big Bang y como consecuencia del nacimiento del espacio, etc, etc demás componentes que contempla la relatividad por un lado, la cuántica por otro.
Disculpas y a la vez esperanza de que alguien me lea y responda.
María, no sé qué contestar. Los datos cosmológicos indican que la energía oscura era prácticamente inexistente al inicio del Big Bang. Su efecto fue creciendo y empezó a ser importante hace unos 5000 millones de años. Se sabe mucho sobre el universo desde que tenía una billonésima de segundo y es muy difícil casar todo lo que se sabe con tu idea.
Francis: Muchas gracias, amigo, profesor y científico. Tomo nota de esta laguna en mi conocimiento que tu has apuntado sobre que «los estudios arrojan inexistencia de energía oscura en el inicio». No obstante, seguiré indagando por estimar si hay alguna cuestión abierta. De nuevo muchas gracias por tu atenta y diligente respuesta.
“El espacio no ha sido creado, no existe, luego al no tener por donde expandirse, esta burbuja alcanza una presión, energía y densidad infinita, una singularidad implosiva, en si misma, dando origen al la gran explosión contemplada por la teoría del Big Bang y como consecuencia del nacimiento del espacio, etc, etc demás componentes que contempla la relatividad por un lado, la cuántica por otro.”
En este asunto pensaba estos días. No sé si el espacio ha sido creado, supongo que sí pero desconozco los detalles, pero no me cabe duda de que el espacio antes de la singularidad sí existía. Si la singularidad contemplada por la teoría de la gran explosión no tenía por donde expandirse ¿cómo explicamos la aparición del universo en el que vivimos? La presión gravitatoria que tuvo que vencer la singularidad no puede ser superior a la fuerza de empuje de la singularidad, de no ser así me imagino una bola super comprimida con una energía enorme haciendo estragos en el otro lado de la singularidad. Quizá la singularidad surgió por una contracción de la energía oscura en una zona del espacio tiempo. Al ser la energía oscura centrífuga, al universo no le queda otra cosa que expandirse.
Considero que la situación inicial de nuestro universo, o mejor, su situación anterior, que desconocemos, a esa billonésima de segundo, que apunta Francis y a partir e la cual si podemos explicar, no puede entrañar una ruptura de la coherencia en el modelo pretendido que unifique ambos estados.
Ciertamente, partimos de un modelo cosmológico relativista donde el universo tiene un origen y es precisamente en el momento inicial donde ocurre la paradoja de que la relatividad es clara y nos impone su límite y las ecuaciones entran en unos valores de infinito para densidades, energías, espacio-tiempo, que al igual que en el estudio de los agujeros negros, nos llevan a una singularidad, es decir, las ecuaciones ya no predicen, no explican, no podemos obtener conclusiones. Tenemos entonces que echar mano a otras herramientas, física cuántica, teorías de gravedad cuántica o de cosmología cuántica, para explicar el momento inicial.
Y encima por si el reto no fuera pequeño, lo que podamos avanzar en algún momento, a partir e esa billonésima de segundo, tiene que ir recuperando la relatividad y ser consistente con la misma.
Y aún prescindiendo en el estado inicial de la relatividad pienso que no puedo prescindir de un postulado: La suma de la energía positiva y de la energía negativa en cualquiera de las situaciones tiene que ser tendente a cero o el universo no se hubiera formado.
Y por eso, Artemio, valoro muy interesante tu comentario, porque me remites al estado de equilibrio necesario. Entonces, tengo que tener siempre dos ingredientes, espacio y energía, cuestión en la que estoy de acuerdo contigo.
Pero vuelvo a la enrevesada cuestión: ¿De dónde provienen esta energía y espacio?. La teoría más aceptada hasta ahora me postula que ambas fueron creadas de una forma espontánea y de ahí que suponga el nacimiento del tiempo, espacio, energía y materia.
Bien, voy más allá en formular una especulación y saltarme el titular de esta entrada sobre » la imposibilidad de conocer el destino final del universo». La energía oscura responsable de una expansión acelerada y con una consecuencias a largo plazo de ruptura de equilibrio, es decir, todo el gran depósito de energía positiva almacenada en la materia conocida, las galaxias, energía cinética de rotación, gravedad, materia oscura con efecto gravitacional, frente a energía negativa almacenada en el espacio en forma, no se si es mucho presuponer, en forma e energía oscura o al menos esto que llamo inflación del espacio. Y como final de ruptura de equilibrio, desgarros en el espacio y muerte térmica a un «big rip». ¿Qué situación tengo ahora?. Empecemos por la energía positiva, no se crea ni se destruye pero si se degrada a una situación de entropía máxima. Una energía negativa predominante almacenada en el espacio, pero que en su expansión infinita, tiempo infinito, hace que se desgarre y si se desgarra el espacio tiempo, este último se haga más y más lento, hasta cero.
Y aquí quería concluir: Parece que me encuentro como en las condiciones iniciales de nuestro universo:
Si la tendencia necesaria, la ley de la naturaleza, la ley del Algo es al equilibrio de la suma e energía positiva y negativa igual a cero, tiene por fuerza que producirse de la ruptura máxima de equilibrio, un vuelta a empezar.
Y por esto que expongo, más detallado, ahora comprenderás lo que me incitó a transmitir esta inquietud y pregunta a Francis, que hago también tuya.
Artemio, y con este rollete por el que pido disculpas. Esto es delicado porque asume uno el riesgo de estar cayendo en el mayor de los ridículos, pero me interesa, me motiva y quiero compartirlo. Un saludo.
…..»Y como final de ruptura de equilibrio, desgarros en el espacio y muerte térmica a un «big rip». ¿Qué situación tengo ahora?.»……
Si estamos en el interior de un agujero negro, de alguna manera con un horizonte de sucesos que se expande, me parece que el «big rip» puede ser un suceso en el límite de un tiempo tendente a infinito. En realidad podemos tener la situación de un «big trip» como anunciaron González-díaz y Jimenez-Madrid: se necesita un tiempo infinito para llegar al «big rip», y por eso lo que tenemos es un «big trip». Esto me recuerda la situación de un viajero que se acerca a un agujero negro y lo observamos desde muy lejos. Lo que vemos es que el viajero nunca llega al horizonte de sucesos, ya que desde nuestro punto de vista necesita un tiempo infinito. Como el «big trip». Invirtiendo este punto de vista (desde un «exterior» a nuestro Universo, si cabe la imaginación) puede estar ocurriendo lo mismo pero al revés. Tendríamos entonces un panorama de un «superuniverso», si cabe la expresión, integrado por un enjambre de agujeros negros de tal forma que desde el interior de cada uno se estaria aislado de los demás al necesitar un tiempo infinito para el «big» trip.
“Pero vuelvo a la enrevesada cuestión: ¿De dónde provienen esta energía y espacio? La teoría más aceptada hasta ahora me postula que ambas fueron creadas de una forma espontánea y de ahí que suponga el nacimiento del tiempo, espacio, energía y materia”.
El espacio anterior al big bang no sé de donde proviene, simplemente estaba ahí. Esto quiere decir que el espacio estaba antes y después de la gran explosión, el big bang se originó por modificaciones físicas y químicas en una zona del espacio tiempo que alumbró el universo que conocemos. Dice Francis en su entrada sobre la gravedad unimodular:
“¿Gravita el vacío? El efecto de la energía potencial del vacío equivale a una constante cosmológica con un valor 120 órdenes de magnitud mayor que el valor medido en los experimentos (si interpretamos la energía oscura como constante cosmológica), en concreto, un valor proporcional al cuadrado de la masa de Planck. ¿Se puede modificar la teoría de la gravedad de Einstein para que el vacío no gravite? La opción más sencilla es la gravedad unimodular, introducida en 1919 por el propio Albert Einstein, una simplificación de las ecuaciones de la gravedad obtenida fijando el determinante de la métrica a la unidad. Gracias a este pequeño detalle técnico solo gravita la parte de traza nula del tensor de energía-momento, es decir, la energía potencial no gravita, solo gravita la energía cinética”.
Si la energía potencial del vacío no gravita podemos conjeturar que el espacio (un filósofo quizá lo llame la espacialidad) es un continuo de energía potencial que bajo determinadas condiciones adquiere energía cinética, materia oscura y ordinaria y luminosidad. En este sentido nuestro universo introduce una singularidad/discontinuidad en ese vacío de energía potencial. Sólo gravita una parte del vacío, la otra es potencial, semillero posible de universos. De todas maneras, la fuerza gravitacional del espacio (el vacío) previo al big bang no puede ser mayor que el empuje centrífugo de la singularidad, tiene que haber cierto equilibrio para que muestro universo pueda desarrollarse.
Esto nos lleva a dudar de un universo plano/tridimensional, el universo tiene que tener una o varias dimensiones extra porque si no es así no veo de qué manera neutraliza la entropía que genera.