¿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.
En la gravedad unimodular el vacío no gravita y el valor «natural» de la constante cosmológica Λ es cero. ¿Cómo resolvemos entonces el problema de la energía oscura? Muy fácil, en las ecuaciones de la teoría aparece una constante de integración λ que hace el papel de constante cosmológica, pero cuyo valor se fija en las condiciones iniciales del universo (al inicio del big bang). La gravedad unimodular es una manera elegante de meter bajo la alfombra todos los problemas asociados a la constante cosmológica. Pero no todo son ventajas; aún no sabemos si la gravedad unimodular es compatible con todos los experimentos y tests que ha superado la gravedad de Einstein; de hecho, para muchos de ellos, las predicciones de la gravedad unimodular aún no han sido calculadas.
Todo esto viene a cuento por el reciente artículo técnico enviado a ArXiv el jueves pasado por Mario Herrero-Valea (@Fooly_Cooly) y su director de tesis Enrique Álvarez, ambos del Instituto de Física Teórica UAM/CSIC, Madrid. En dicho artículo demuestran que la teoría de Einstein y la unimodular coinciden en el límite de gravedad débil para fuentes arbitrarias (con anterioridad solo se había demostrado para fuentes estáticas), es decir, que esta última supera todos los tests de la primera en el régimen de campo débil. Un gran paso adelante, aunque todavía quedan muchos detalles por estudiar, como la evolución de los modelos cosmológicos en dicha teoría, o su cuantización (hay ciertos indicios de que podría ser más sencilla que en el caso de la teoría de Einstein). El artículo técnico es Enrique Álvarez, Mario Herrero-Valea, «Unimodular gravity with external sources,» arXiv:1209.6223, Subm. 27 Sep 2012.
Recomiendo consultar también a Enrique Alvarez, «The weight of matter,» arXiv:1204.6162, Subm. 27 Apr 2012. En cuanto al problema de la cuantización de la teoría, recomiendo a Lee Smolin, «Quantization of unimodular gravity and the cosmological constant problems,» Phys. Rev. D 80: 084003, 2009 [arXiv:0904.4841].
Por cierto, prometí escribir esta breve entrada en Amazings Bilbao 2012 (Naukas Bilbao 2012) con objeto de incentivar al propio Mario a escribir una entrada al respecto en su propio blog. Mario, ahora el guante está en tu mano de Stringers.
Muy interesante Francis. Sólo quiero añadir una referencia que es una posible explicación a la energía oscura, como resultado de una posible rotación del universo alrededor del «eje del diablo»:
Serkan Zorba, «A Modified FRW Metric to Explain the Cosmological Constant,» Mod. Phys. Lett. A 27: 1250106 (2012) [arXiv:1210.0892].
Gracias, Antonio, muy interesante. Lo único que no me gusta es que haya que poner la métrica FRW con rotación ad hoc, sin que se deduzca de ninguna hipótesis física más fundamental. Seguramente los datos del satélite Planck, que se publicarán a principios de 2013, aclararán el asunto del «eje del diablo» y podrán confirmar o refutar estas ideas.
Acertada observación Francis, sobre la rotación ad hoc. ¿Qué me dices de lo que se sabe del spin del electrón? El comportamiento del universo veces se parece al de una partícula fundamental………..
Muy interesante el artículo (ya lo leí cuando salió hace unos días y pude ya saber qué es la unimodular gravity de Shaposhnikov, gracias Mario/Francis), y aún más interesante el comentario de Antonio…
Un Universo en rotación como origen de la energía oscura…Hum, no había pensado en eso, es curioso, pero necesitaría justificarse con algo más…Aunque a mí más que el espín como análogo me sugiere algo tipo torsión ese tipo de comportamiento a la Coriolis (o de vórtice). Sigo pensando no obstante, que ese tipo de llamémosle «torsión» o «rotor» de la energía oscura y la materia oscura no son más que efectos cuánticos de la gravedad.
Si estoy en lo cierto, los detectores de materia oscura lo tienen chungo a priori…Una pregunta, ¿sabéis si es admisible una frecuencia de 1 nHz para una onda gravitacional ?Digamos que unos cálculos que he hecho me sale algo que interpreto como ésa longitud de onda del gravitón…¿Qué tipo de objeto emitiría ondas gravitacionales con esa longitud de onda? ¿Es detectable vía LISA/LIGO,-creo que no, ya que recuerdo, creo, del Máster que la longitud de onda de las ondas que iban a buscarse con ellas estaban en el rango de los metros y un nanoherzio es una longitud de onda de un décimo de año luz…? ¿Es correcto?¿Alguien puede ayudarme?
Amarashiki, una frecuencia de 1 nHz equivale a una longitud de onda de c/f = (3 X 10^8)/(10^-9) = 3 X 10^17 m que es típica de ondas gravitatorias producidas por binarias, por púlsares y otros objetos astrofísicos. El espectro de ondas gravitatorias lo tienes en muchos lugares, por ejemplo,
en la figura también aparece el rango de frecuencias de ondas gravitatorias que se espera que LIGO y LISA puedan detectar.
Ayer no tenía la calculadora a mano cuando estuve pensando en una idea mientras iba por el parque y posteé el comentario, me equivo en un factor 300, jajaja…Ya he comprobado eso… 1 lyr = a.l = 9.46 x 10¹⁵ m. Si tengo una frecuencia del orden de nHz sería entonces lo que dices Francis. Correcto, suponiendo claro que las ondas gravitacionales se propaguen a velocidad de la luz c. Como $latex lambda = c/ f$, si las ondas se propagan a la velocidad de la luz, tendremos que $latex (3cdot 10^8)/1cdot 10^{-9} m=3cdot 10^{17}mapprox 32 lyr$. Bueno, no me parece mal resultado para mis intereses…Interesante…Me gusta que salga esto.
Muy interesante y todos los comentarios. El movimiento en espiral como fórmula de despliegue del espacio tiempo y la relación con la expansión acelerada y energía oscura me interesa muchísimo. Otra cuestión es la cuantización del espacio. No manejo la física cuántica, apenas nociones generales.
Un trabajo apasionante y deseos de colección de muchos éxitos a los responsables.
………..»El movimiento en espiral como fórmula de despliegue del espacio tiempo y la relación con la expansión acelerada y energía oscura me interesa muchísimo»…..
Abundando en lo que dices puedo añadir que, si la velocidad de la luz disminuye con la expansión del universo (algo que puede ser la condición de invariancia local de las leyes físicas), entonces desaparece el componente tiempo (explícitamente) de la métrica (FRLW) y queda solo el componente espacial. La expansión del universo podría entonces producir simplemente un movimiento (sólo espacial) en espiral, quedando el tiempo como una variable «falsa» (dummy). Esto explicaría la abundancia de las estructuras espirales en el universo (galaxias) y en la tierra (Grandes fósiles de caracoles con la concha marcadamente en espiral), como dos de los muchos ejemplos. Y podemos observar las espirales de los Celtas….. El tiempo quedaría así en realidad como una cuenta de los saltos cuánticos que se producen en general. Estaría sustituido por la observación del movimiento o cambio, cíclico o en espiral.
Sr. Faus, como le oiga Punset hablar de una conexión cósmica entre las espirales de las galaxias y las conchas de los caracoles, pasando por los celtas, fijo que le roba la idea. Y se le ha olvidado mencionar ¡la doble espiral del ADN!. La métrica FRLW y el ADN explicados por la misma teoría, ahí es nada. Por cierto ¿que es la métrica FRLW?
Daniel, la métrica FRLW es la de Friedmann–Robertson–Lemaıtre–Walker, aunque normalmente se dice FLRW por Friedman-Lemaître-Robertson-Walker.
Hola Daniel. La métrica FRLW (Friedmann-Robertson-Lemâitre-Walker) es la generalmente usada en Relatividad General, aplicando al caso de las ecuaciones cosmológicas de Einstein/Friedmann). Viene a decir que el intervalo espacio-temporal al cuadrado (ds^2) es igual a la parte temporal -(c dt)^2 , c la velocidad de la luz, más la parte espacial (a dr)^2 (dr el intervalo de coordenadas espaciales pero en tres dimensiones). Aquí a es el factor de escala del Universo, el que crece (se expande el universo) y además aceleradamente (expansión acelerada, a propocional a t^x con x > 1). Si c disminuye con la expansión (con a creciente) entonces el término temporal se hace rápidamente despreciable frente al espacial, dominado por a. Luego el tiempo t desaparece explícitamente del intervalo espacio-temporal y solo queda el intervalo espacial: Nos hemos cargado al tiempo, que sólo aparece como una variable «falsa» ya que a es función de una t, a(t). perdón por las fórmulas……El resumen es que no hay más que intervalos espaciales. y la idea de «movimiento» es debida a los «saltos cuánticos» únicamente. La idea de tiempo como variable contínua sólo es un «constructo» de nuestras mentes.
Perdona Antonio Alfonso Faus, que me exprese de forma rudimentaria al hilo de tu explicación en el que debo entender:
La materia y la energía confieren unas propiedades al espacio, entre otras gravedad y tiempo. Tanto la masa como la energía curvan, deforman el espacio tiempo. Por otro lado, energía y tiempo podemos decir son el anverso y reverso de la misma moneda. La energía es la medida de un cambio y que se mantiene en un tiempo. La relatividad predice a la perfección el comportamiento del espacio tiempo en presencia de energía.
En dos situaciones de la historia del universo, la etapa de inflación primera y la actual expansión acelerada encontramos por un lado, la relatividad es incompleta para explicar las propiedades del intervalo espacial. En efecto, la única velocidad existente en el espacio tiempo es invariante, una constante, la velocidad de la luz, mientras la expansión es una propiedad del espacio mismo, que nada tiene que ver con velocidad. No podemos en ningún caso asimilar o equivocar ambas.
Bien, por otro lado, es el propio intervalo espacial que ha perdido el componente temporal, la gravedad no sabemos dónde colocarla porque nos hemos distanciado de la energía y de la masa. Qué podemos asumir, pues quizá, un intervalo espacial que de «arrastrar» materia es una materia no bariónica, a expensas de una energía que de estar contenida es consecuencia de una propiedad del propio espacio, quizá presión negativa como en el estado de falso vació, y geométricamente pues nos tenemos que plantear dicha propiedad de expansión bien, de un espacio en dos dimensiones, bien de un espacio en tres dimensiones.
De tres dimensiones parece que nos llevaría por fuerza a estimar el movimiento, la geometría de una espiral. Como por otro lado está fórmula espiral es constatada en el efecto doppler (claro aquí ya no me sirve porque ahora estoy midiendo el desplazamiento al rojo de la materia), pero también se al medir que no es la materia la que se expande, es la propiedad o característica del propio espacio y que, por lo tanto estoy tomando una medida indirecta de la expansión del universo a partir de la observación de la materia.
Total amigo Alfonso que dejo inconcluso en este punto a vuestras consideraciones, porque excede con mucho a lo que pueda o pretenda resaltar. Sed tolerantes con mi persona, pero no así con las inestimables correcciones al contenido de lo expuesto. Un saludo.
Hola Maria. Solo comentarte que, de todo lo que dices, me he quedado con una idea que me parece interesante y quisiera abundar en ella. Como sabes en el universo tenemos un 4% de materia bariónica, que gravita atractivamente, un 25 % de materia oscura, que tambien gravita atractivamente, y un 71 % de energía oscura con presión negativa, que anti-gravita, que expansiona aceleradamente al resto del universo. En realidad debe de arrastrar en su expansión a la materia, ya que el conocimiento de la expansión acelerada del universo lo tenemos por la observación de la materia gravitatoria atractiva. (No hemos podido observar directamente a la energía oscura, sólo sabemos que debe de estar ahí). También puedo decirte que últimamente me estoy convenciendo de que la fuerza de atracción gravitatoria (la ley de gravitación universal de Newton) es proporcional al producto de las energías, por ejemplo la energia relativista del sol desviando los rayos de una estrella que tienen una energía (sus fotones). Así pues sería considerar energías, en vez de masas para la interacción gravitatoria. Y así ocurre con la llamada energía oscura: una energia que se expande aceleradamente hoy) arrastrando al resto del universo (materia bariónica y no bariónica, esta segunda oscura). Para mí sería la energía de esta materia, en vez de su masa, la que interacciona con la energía oscura (y en este caso de forma anti-gravitatoria) y la sigue en su expansión acelerada. Fíjate en un efecto interesante: si esto fuera así las galaxias lejanas sería arrastradas fuera de nuestra «vista» e irian desapareciendo con el tiempo. Y no sería esto por causa de la atenuación del brillo de las galaxias debido a su alejamiento, cosa que podemos observar en las galaxias que no se han escapado de nuestra vista.Simplemente desaparecen de nuestro campo visual.
A. Alfonso Faus: Se que puedo parecer pedante o impertinente al recurrir en mis comentarios a postulados y cuestiones básicas que los físicos ya tenéis como herramientas y que no da lugar traerlo a colación. Todo comportamiento «extraño» tiene su explicación y para mi caso es que por circunstancias me vi obteniendo un premio extraordinario de licenciatura en la complutense en filosofía y letras y un doctorado en pedagogía por la Uned que te aseguro, no me lo regalaron. Cuando a mi lo que me gusta es la ciencia. Y he tenido que esperar a tener un puesto de trabajo y en mis ratos libres muchas horas de dedicación a lo que me atrae, el universo y este requiere una astrofísica, manejar la relatividad y al abodar agujeros negros, estrellas de neutrones, teoría de inflación y la expansión ,además, física cuántica. Bien con esto, misterio personal aclarado. No te parezca pedante, o en todo caso pedante con causa.
Todo tiene en esta vida ventajas e inconvenientes y en mi caso me permite grados de libertad para ser audaz u osada en conjeturas. Y lo voy a ser de nuevo al hilo de tu nueva propuesta:
«Para mí sería la energía de esta materia, en vez de su masa, la que interacciona con la energía oscura (y en este caso de forma anti-gravitatoria) y la sigue en su expansión acelerada. Fíjate en un efecto interesante: si esto fuera así las galaxias lejanas sería arrastradas fuera de nuestra “vista” e irian desapareciendo con el tiempo».
Bien, considerando un espacio tridimensional y una energía oscura que le confiere una propiedad, la expansión, con una fórmula de movimiento en espiral, por qué no puede ejercer dos efectos: Anti gravitatorio, el mismo espacio es el que se despliega, y por el mismo proceso un efecto gravitatorio (en sentido de la materia oscura) al impactar en las grandes masas y comunicar por fuerza y como muy bien apuntas, la explicación de ese sentido rotatorio en espiral de galaxias.
Bien, expansión (energía oscura) y gravedad (materia oscura) unificadas en dos efectos antigravitatorio/ gravitatorio de un mismo proceso de energía «almacenada» en el espacio, o bien, si lo quieres mirar desde la cuantica, una propiedad de campo, característica inherente al propio espacio.
Hola Maria. Para mí la cuestión del espacio, tres dimensiones x, y, z, me parece una muy buena muleta matemática para escribir ecuaciones, leyes físicas etc. Y es un buen «constructo» mental, generado en nuestras mentes, para encajar en él lo que observamos. Pero yo no observo en la naturaleza ni x, ni y, ni z, ni puedo comprar un kilo de tiempo t. ( Tampoco se venden litros de espacio x,y, z). Por tanto me «agarro» a conceptos físicos palpables, como por ejemplo la energía. Y compruebo que produce movimiento, cambio. Y al dividir energía por longitud, un tamaño que se aprecia de forma relativa, obtengo lo que llamamos FUERZA. Luego energía con el ingrediente tamaño nos da la idea de FUERZA y por tanto, como consecuencia, movimiento o esencialmente cambio. Esto reduciría la naturaleza a energía, tamaños, y naturalmente cuantos, simplemente un número abstracto que nos dice de cuántos cuantos estamos hablando: cuántos de energía, cuántos de cantidad de movimiento, etc. Nuestro universo hoy consta de 10^120 cuántos, o llámales bits de información, etc. A propósito: Francis nos presentó una noticia de unos científicos japoneses que habían encontrado experimentalmente la equivalencia información-energía. ¿Qué te parece?
A. Alfonso Faus, sabes qué te digo, tienes razón porque hemos deshojado la margarita de todo lo tangible y hasta dónde llegan las teorías y modelos formales que aplicamos en física y nos hemos quedado con una realidad intangible: El espacio y una energía oscura. Y pretender hacer conjeturas, y no por sencilla como la expuesta falsa, y ajustándose a los principios de ser explicativa y predecir el comportamiento del espacio y sus efectos en nuestro universo, no lo podemos probar, por tanto si no podemos probar, si no podemos falsar creo, a mi pesar, que caería en una especulación propia de la ciencia ficción.
Uno se puede enamorar de una conjetura, no ya como muchos lo han estado y está están de la llamada «bella teoría».
En esta conjetura concreta pienso que el espacio y ese componente de energía oscura -por cierto, fíjate que siempre paso de lado la materia oscura, no me entusiasma o en todo caso se derivará de aquella- obedezco a lo que me parece razonable de lo que conozco de las leyes de la física y me baso por intuiciones y sentido común que funcionan en la realidad conocida. Po claro, al faltarme la herramienta de la mecánica cuántica -ya lo expuse aquí en un comentario- por qué tiene que obedecer esta cuestión que tratamos a lo que a ti o a mí nos pueda parecer razonable.
…. …. …..
Respecto a la pregunta qué me haces, creo que te refieres a esta entrada:
https://francis.naukas.com/2012/08/02/el-demonio-de-maxwell-cuantico-que-convierte-informacion-en-energia/
No me lo creo.
Se basa en una solución cuántica de superposición de dos estados o mejor dos propiedades.
En este caso se toman como propiedades , la energía y la información (aquí dudo mucho) para resolver la paradoja de el demonio ideada por Maxwell en 1867.
Y para uno curarse de creencia y descrédítos o no creencias, solo hay una fórmula o camino, disciplina y aprendizaje, estoy con este vídeo de una charla magistral a cargo de Juan Ignacio Cirac Sasturáin, sin duda la mayor autoridad en simuladores, computación, tetetransporte, etc.
Muy recomendable seguro es del agrado de todos.
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=tbX22Y6eqIQ
Bien, pues sorprendida y aspirando a comprender este nuevo reto cómo convertir información en energía…. Recibe un cordial saludo.
….Bien, pues sorprendida y aspirando a comprender este nuevo reto cómo convertir información en energía……
Hola Maria. La verdad es que creo que la información es ya energía, no hay que «convertirla». Recuerdo un trabajo que hice hace un par de años, donde propuse esta idea y me salió que la energía de un bit es igual a 10^(-45) ergs . Como el universo tiene una entropía, y cantidad de bits igual a 10^121 esto supone que la energia del universo (debido a sus bits) es del orden de 10^76 ergios, que corresponde a una masa de 10^55 gramos, la masa que se estima que tiene el universo. Interesante…..
Gracias, María, siempre es un placer escuchar a Nacho Cirac.
Creo estáis a punto de cruzar el límite de «irse la pinza» 🙂
Felicidades por el blog y aún + por tus intervenciones en #Bilbao2012
No soy licenciado en física ni matemáticas sino un simple aficionado a pensar por su cuenta sobre los tema tratados en esta página, debido a ello no he entendido prácticamente ninguna de las fórmulas que en ella aparecen, yo voy con ideas muy sencillas por la vida aun así me he atrevido a efectuar un cálculo del valor de la Constante Cosmológica el cual pueden ver en un vídeo colgado en YouTube titulado…. «Calculo del valor de la constante cosmológica, 2ª edición» por supuesto que se trata de una hipótesis que creo es interesante, o al menos curiosa y que tal vez les pueda interesar.
No he podido evitar preguntarme algo que parecería no tener sentido alguno ¿la gravedad misma gravita? Es decir ¿la curvatura del espacio-tiempo misma gravita? Parece no tener sentido porque la gravedad es una forma inercia sobre esa curvatura donde las cosas simplemente siguen una geodésica pero ¿hay más dimensiones extra?
Sí, Suzudo, los agujeros negros existen porque la gravedad gravita; la energía es la “carga” de la gravitación y todo lo que tiene energía gravita. El espaciotiempo curvado (la “gravedad”) tiene energía, luego gravita.
No sabemos si hay más dimensiones espaciales extra; pero no son necesarias para explicar las observaciones y la Naturaleza. Aunque muchas teorías físicas especulativas, como la teoría de cuerdas, requieren su existencia.
Mi saludo cordial. Me resultaría gratificante recibir respuesta de
ustedes a la siguiente duda sobre Cosmologia: «si tomamos como
referencia una porción de superficie del Espacio-Tiempo en el
universo, la cual al inicio de su estudio se encuentra tan alejada de
cualquier masa gravitacional que podemos asumir que su geometría se
corresponde con la del Espacio de Minkowski PLANO, y ahora
consideramos que hacia esta región se viene acercando una gran masa
gravitatoria (por ejemplo, un Agujero Negro) por lo que a medida que
se acerca esta superficie de E-T que originalmente se encontraba SIN
deformación comienza a curvarse a causa del incremento de la
intensidad del campo gravitacional del Agujero Negro al acercarse;
entonces la pregunta es: esta deformación del E-T significa que las
coordenadas que componen esta superficie CAMBIAN de posición (se
DESPLAZAN) con respecto a su original?, y si efectivamente es así, tal
Desplazamiento (acercamiento hacia el Agujero Negro) de estas
coordenadas de E-T se puede interpretar como que están en este caso
ENTRANDO en un Pozo Gravitatorio? Atentamente, Jose
Jose Alberto, las coordenadas no son físicas; la física es lo invariante ante cambios de coordenadas, es decir, lo que no depende de las coordenadas. Ningún proceso físico puede afectar a las coordenadas como tales. Por otro lado, no tiene sentido el concepto «posición de las coordenadas», ni el «desplazamiento de las coordenadas»; este tipo de lenguaje no tiene sentido físico, ni tampoco matemático. No te compliques dándole vueltas mentales a cosas sinsentido.