La materia oscura emerge de la energía oscura en la gravedad entrópica de Verlinde

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El físico Erik Verlinde es famoso por su teoría de la gravedad emergente a partir de una fuerza entrópica. La energía oscura sería una especie de éter gravitacional, un medio elástico que emerge del entrelazamiento entre grados de libertad cuánticos. Más aún, la materia oscura sería resultado de la interacción de la energía oscura con la materia bariónica. Su teoría permite derivar la teoría MOND de Milgrom a escala galáctica. Teoría que se modifica a escala de supercúmulos y a escala cosmológica para ajustarse a las observaciones que la refutan. Verlinde afirma que su teoría explica por qué la materia oscura representa el 75% de la materia total (y la materia ordinaria el 25%).

La nueva teoría tiene muchos problemas cosmológicos y contradice lo que sabemos sobre la evolución del universo. La energía oscura debería haber dominado el universo siempre, en contra de las observaciones del fondo cósmico de microdondas; cuando se formó no era relevante y, de hecho, entonces la proporción entre la materia oscura y la materia total no era del 25%. Tampoco explica la expansión del universo, ni tiene cabida la inflación cósmica. El artículo de Verlinde, como ya es habitual en él, está repleto de divagaciones (él las llama conjeturas) y resulta difícil seguir sus ideas altamente especulativas. Aún así, está generando mucho eco mediático.

Verlinde afirma que le ha costado seis años de investigaciones escribir este artículo, producto de los 2 millones de euros que logró con un proyecto ERC Advanced Grant y de los 2,5 millones de euros de un Premio Spinoza. Su trabajo está inspirado artículos previos de Knopp, Ng, Takeuchi y otros que deducen la teoría MOND a partir de su gravedad entrópica. Sin embargo, ofrece nuevas ideas que han surgido de las discusiones sobre los muros de fuego (firewalls) en agujeros negros. Si eres físico te recomiendo leer las 51 páginas de Erik P. Verlinde, “Emergent Gravity and the Dark Universe,” arXiv:1611.02269 [hep-th].

Más información loando a Verlinde en “Una nueva teoría de la gravedad podría explicar la materia oscura,” Europa Press, 08 Nov 2011; Imane Rachidi, “Una nueva teoría sobre la gravedad podría explicar la materia oscura,” El Mundo, 08 Nov 2016. O en inglés en, por ejemplo, Jaccqueline de Vree, “New Theory of Gravity Might Explain Dark Mattter,” Delta Institute for Theoretical Physics, 08 Nov 2016; Ian Johnston, “Stunning new theory of gravity suggests there’s no such thing as dark matter,” Independent, 08 Nov 2016.

[PS 13 Nov 2016] En blogs recomiendo leer a Luboš Motl, “Verlinde’s de Sitter MOND is highly incomplete, to say the least. The Dutch media brutally overhype a generic speculative idea,” TRF, 12 Nov 2016.

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La entropía de Bekenstein–Hawking para los agujeros negros (que son espaciotiempo curvado pero vacío) sugiere que el espaciotiempo (y la gravitación) emergen de una formulación holográfica. Todos los grados de libertad cuánticos que describen un volumen de espaciotiempo se encuentran concentrados en el área de su superficie. La gravedad entrópica de Verlinde usa esta idea para deducir las ecuaciones de Einstein linealizadas (hay que recurrir ad hoc a la backreaction, que la gravedad gravita, para obtener las ecuaciones de Einstein, que son no lineales).

El gran problema de la idea del universo holográfico es que nuestro universo es de tipo de Sitter (dS), con constante cosmológica positiva, en lugar de anti-de Sitter (AdS), con constante cosmológica negativa. La holografía funciona bien en un universo de tipo AdS, con borde, vía la correspondencia AdS/CFT de Maldacena y argumentos similares. Sin embargo, en un universo de tipo dS, sin borde, ¿dónde está el área que contiene los grados de libertad holográficos que determinan la física en el volumen? Verlinde nos propone que se encuentran en el horizonte cosmológico. Un horizonte ficticio (como lo es el horizonte de sucesos de un agujero negro), pero que podría contener dichos grados de libertad cuánticos codificados de alguna forma exótica (Verlinde no dice cómo), en analogía a como se codifican en el horizonte de sucesos de un agujero negro (donde se recurre a ideas como las simetrías BMS o la dualidad ER=EPR).

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El problema es que la entropía en un universo de de Sitter con horizonte cosmológico no se describe por la fórmula de Bekenstein–Hawking que depende del área de dicho horizonte; hay que incluir términos volumétricos. El origen de dichos términos es un misterio, pero Verlinde afirma que la energía oscura es resultado de dichos grados de libertad cuánticos en el volumen del espaciotiempo. Más aún, recuperando la idea del éter luminífero, introduce un medio elástico que se comporta como éter gravitacional que emerge de la termalización de los grados de libertad cuánticos en el volumen del universo dS.

Recurrir a un éter gravitacional para explicar la energía oscura puede molestar a algunos físicos. Por ello Verlinde no usa el término éter en su artículo y prefiere el término “fase elástica oscura” (‘dark’ elastic phase). Pero la formulación que presenta recuerda mucho a la del éter luminífero como medio elástico para sustentar la propagación de las ondas electromagnéticas.

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Explicada la energía oscura como un medio elástico que permea el universo dS, Verlinde estudia el efecto de dicho medio sobre la materia de las galaxias. La materia ordinaria causa un desplazamiento en el “medio elástico oscuro” que produce una fuerza de reacción sobre la materia. Dicho efecto corresponde a una modificación de la gravedad similar a la teoría MOND de Milgrom. Se observa como una aceleración constante que permite explicar las curvas de rotación galáctica sin necesidad de halos de materia oscura. Verlinde se cura en salud afirmando que su teoría no viola la ley de la inercia (como la teoría MOND) sino que dicha “violación” es aparente.

El Cúmulo Bala no se puede explicar con la teoría MOND. Verlinde sortea este problema de forma elegante. La aceleración constante aparece para distribuciones esféricas de materia. La reacción entrópica del medio elástico oscuro para cúmulos y supercúmulos, cuya forma no es esférica, requiere modificar la teoría MOND; no dice cómo, pero afirma que en el futuro calculará dicha modificación y que en su opinión logrará explicar la materia oscura donde la teoría MOND falla.

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La teoría MOND también falla a escala cosmológica. No hay problema para el que Verlinde no sugiera una solución. Tras un alarde técnico se saca de la manga una fórmula que explica que la reacción entrópica del medio elástico oscuro hace que la “materia oscura aparente” siempre parece tres veces más abundante que la materia bariónica. Así explica que observemos que el 25% de la materia del universo es bariónica y el 75% es materia oscura. En realidad solo existiría la materia bariónica, siendo la materia oscura la reacción de la energía oscura (medio elástico oscuro) a dicha materia.

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El artículo de Verlinde sigue su estilo habitual. Se supone que está inspirado en ideas de la teoría de cuerdas. Por tanto, no puede faltar un diccionario, una correspondencia entre magnitudes físicas diferentes guiada por una supuesta dualidad física. Como muestra esta tabla, Verlinde relaciona las propiedades gravitacionales de la materia con las del medio elástico oscuro (su éter gravitacional), usando su aceleración constante a0 tipo MOND. De hecho, como es habitual en los artículos de gravedad entrópica solo se habla de gravitación newtoniana.

Este tipo de diccionarios ad hoc son muy habituales entre los físicos que afirman estar inspirados en la teoría de cuerdas, pero que no quieren adentrarse en las matemáticas de la teoría de cuerdas necesarias para justificar su correspondencia. Todo el artículo está repleto de fórmulas, pero la mayoría son divagaciones. Falta un hilo conductor que actúe como razonamiento lógico. En apariencia todo es muy riguroso, pero las apariencias engañan.

Las ideas de Verlinde contradicen lo que sabemos sobre la Naturaleza. ¿A quién le importa? Lo maravilloso de Verlinde es que nos obliga a desaprender todo lo que sabemos. Su objetivo no confesado es doblegar a la Naturaleza para que se comporte como él afirma que debe comportarse. Sus ideas son tan profundas que la Naturaleza no puede seguir otro camino. Los 4,5 millones de euros gastados en este trabajo merecen la pena. Sin lugar a dudas.

En resumen, un artículo de Verlinde siempre da mucho que hablar. Muchos otros físicos seguirán sus ideas y tratarán de darles algún sentido. Pero por ahora lo único que muestran las 51 páginas del artículo son una enorme cantidad de problemas sin resolver, con muchos argumentos faltantes. Muchos físicos tratarán de rellenar dichas lagunas. Lo que no sabemos es si llevarán a algún sitio o si solo servirán para oscurecer lo que de por sí ya es muy oscuro.


32 Comentarios

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MarcelinoMarcelino

¿4.5 millones de euros en 6 años para escribir un artículo teórico? ¿En qué se le ha ido el dinero?

Francisco R. Villatoro

Marcelino, 4,5 M€ que me consten, hay quien habla de 6,5 M€ (Woit). En realidad no es para escribir un solo artículo, sino para realizar su investigación teórica; ha conducido a una serie de artículos en los últimos años que culminan en este último; que es el que ha generado un eco mediático enorme en su país; se habla de revolución en la física (Woit) y se compara a Verlinde con Einstein.

JoseJose

Bueno, está bien que se gaste el dinero en investigación… ya nos gustaría que en España tuviésemos estas ayudas a los temas teóricos.

A mi me prometieron 35.000 euros para mi tesis y al final me lo tuve que pagar yo todo… y dios gracias a que tenía un trabajo…

Amarashiki

Hay una forma de arreglar “MOND” de forma que es consistente con cúmulos…Incluir un término adicional perturbativo, que vale para esas escalas solamente y que a escala galáctica es inexistente simplemente porque aún no tiene un valor relevante…Y es posible que haya una forma de que exista un término cosmológico que mimetice energía oscura. Es muy posible que MOND a escala galáctica es una ley efectiva a cierta escala, mientras que a escalas más grandes sean importantes algunos otros términos que se desprecian y por eso no se reproducen los resultados. En cuanto a la energía oscura, puede que también sea un efecto subsidiario de una simetría oculta o una “carga” de algo que va más allá de nuestras teorías actuales, porque no consideramos correctamente el carácter cuántico no lineal de la gravedad. Materia y energía oscuras es posible nazcan de algo que aún no entendemos pero que está tan presente que se nos ha pasado por alto…UN nuevo “campo”.

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

Esa clase de términos de los que usted habla son una propuesta astuta porque ciertamente tenemos el problema de la coincidencia, un punto apasionante y poco discutido en enfoques “Más teóricos” para atacar el misterio de la constante.

La pregunta es: ¿Hay una teoría microscópica que los incorpore de manera natural?, este es un reto profundo :)

El problema con lo de Verlinde (y básicamente todos las otras explicaciones de dark energy), es explicar porque la escala de masa asociada a la constante (10^-3 ev ) es más pequeña que cualquier cosa razonable en física de partículas ¿Hay física oculta en esa escala? (¿Neutrinos como especula Zee?, mixing UV/IR, ¿Otra cosa?)

Parafraseando la definición de naturalidad de t`Hooft: Si la constante cosmológica fuese cero… ¿Qué nueva simetría aparece?.

Obviamente se esperaría simetría conforme, pero nuestro mundo tiene quarks y leptones :) un juego muy astuto de la naturaleza, tan fascinante que sería aburrido que lambdda estuviera asociada a algo tan “mundano” (una disculpa) como un campo escalar (Phantom energy o quintaescencia)

FRANCISCO REGLERO SARMENTEROFRANCISCO REGLERO SARMENTERO

Menos mal que te tenemos a ti tocayo y nos llevas a pastar por verde prados, o son oscuros?

José Luis García CastilloJosé Luis García Castillo

Oye Francisco, ¿no será que producto secundario de la inflación primigénia es ésa energía y materia oscuras? Saludos

JoãoJoão

Verlinde siempre trae ideas revolucionarias al mundo académico. Yo creo que estas exagerando. fuiste muy sarcático al decir: Pero por ahora lo único que muestran las 51 páginas del artículo son una enorme cantidad de problemas sin resolver. Recuerda que no hay ciencia si no hay ideas nuevas.

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

João:

Pero de nada sirven las ideas nuevas si no las usas para resolver un problema concreto, gente que especula habemos muchísimos y se puede hacer en un café y sin papel de por medio. Las verdaderas revoluciones se gestan atacando problemas concretos y superando dificultades técnicas.

Incluso a nivel de especulación no parece nada genuinamente nuevo…

MarcoMarco

En youtube se puede ver una charla que dio él mismo (https://www.youtube.com/watch?v=iigN...038;t=2076s). Coincido contigo en que al leer el artículo falta cohesión entre las partes. El estilo de Verlinde es el de intentar encajar unas fórmulas con otras, ya en 2010 lo hizo, pero te deja la impresión de que está tratando de engañarte. Pero ¿quién sabe?. Quizás haya alguna verdad detrás de esto. Al día siguiente apareció otro (https://arxiv.org/abs/1611.02702) que trata de una teoría holográfica general, échale un vistazo. La aparición de leyes que dependen ya no del área, sino del volumen, tambén se menciona como punto clave en este paper.

planck

Conseguir aplicar la dualidad gauge/gravity a espacios dS como el nuestro es uno de los problemas sin resolver más importantes que existen en la actualidad. De hecho, puede ser la clave de la ansiada teoría cuántica de la gravedad. El problema es que nuestro espacio (aproximadamente) dS no tiene borde, hay propuestas para situar el “borde conforme” en el horizonte I+ (future time like infinity) pero por lo que yo se estas propuestas están lejos de funcionar. También están las “higher spin gauge theory” de Vasiliev que por lo poco que yo se aún no han dado resultados. Lo que parece claro es que la respuesta a este trascendental problema no va a venir de la mano de Verlinde, este paper, como dice Francis, no es más que una amalgama de problemas no resueltos a los que Verlinde está muy lejos de dar respuesta. Desde luego con 4 fórmulas de 3º de Ciencias Físicas no se va a producir una revolución en la Física. Comparar a este señor con Einstein es como comparar a Paquirrín con Dirac :-) Además dice que se basa en la teoría de cuerdas sin usar ni una sola ecuación sobre cuerdas. Creo que Lubos Motl tiene razón en que la próxima revolución Física vendrá de manos de los teóricos de cuerdas, que básicamente son los Físicos de primer nivel a escala mundial: Maldacena, Polchinski, Witten, Strominger, etc
(por cierto es todo un honor tener a un hispano parlante como uno de los mayores Físicos que existen y con un poco de suerte uno de los mayores de todos los tiempos: Juan Maldacena).
La próxima revolución cambiará nuestra concepción del espacio y el tiempo de forma mucho más radical de lo que lo hizo Einstein y usará cuerdas, dualidades, entrelazamiento, teoría de la información y confinamiento ¿Quién será capaz de conseguir unir estos conceptos en una teoría coherente que unifique las 4 fuerzas fundamentales? ER=EPR es una hipótesis fascinante que podría arrojar algo de luz sobre todo esto ¿estará Maldacena trabajando en ello? ¿Cuando veremos los próximos avances? Espero que no tarden mucho, puede que el interior de un agujero negro esté entrelazado con el “future time like infinity” pero desde luego, las moléculas de nuestro cuerpo no lo están y sufrirán los rigores del paso del tiempo y de la segunda ley de la termodinámica :-)

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

Planck (Ahora si on-topic)

Tú comentario trae a discusión varios de los temas más emocionantes de la física, es una alegría que los menciones aquí.

ds/cft: De Sitter es sutil en cuerdas. Obtener la “frontera nula” (Scri) es fácil pero (hasta donde sé) son soluciones inestables (nucleación de burbujas de falso vacío con constante cosmológica pequeña), Francis apunta con destreza ¿En dónde “vive” la cft a la que es “dual” ds?.

Esto es relevante porque Polchinski se ha preguntado sobre si la paradoja del firewall tiene una contraparte cosmológica o viceversa ¿El el interior de un agujero negro “una cosmología”?

La entropía en de Sitter es un misterio demandante y profundo. :)

Sobre la teoría de Vasiliev:
Aquí las cosas se ponen serias :) En teorías de alto espín los conceptos de geometría (pseudo)Riemanniana, evento, localidad e incluso dimensión ya no son importantes. Más aún, la teoría (efectiva) interatuante es singular en Minkowski (¡La consistencia obliga a introducir una costante cosmológica!).

La teoría de Vasiliev es interesante porque es una fase de máxima simetría en el sentido de que no proviene de la rotura de ninguna otra y eso lleva a especular a que son simetrías relevantes en el régimen transplanckiano (y si te tomas en serio la posibilidad de un mixing UV/IR en gravedad cuántica entonces lo son también a nivel cosmológico), hay resultados interesantes sobre sus duales holográficos (modelos vectoriales con simetría O(N)), aún falta mucho pero es un tema apasionante.

Cuerdas misma es una teoría de alto espín. Y eso es fundamental para la búsqueda de su descripción completa e incluso para hacerla más realista.

Tal vez fundamentalmente la pregunta siga siendo ¿Cuál es la estructura subyacente a nuestra idea efectiva de espaciotiempo? y claro ¿Cómo emerge el espactiempo?

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

Un último comentario sobre teorías de alto espín:

Los aficionados a la teoría de cuerdas saben que se requiere obtener un espaciotiempo que localmente sea un producto M x CY (aquí M es Minkowski y CY una variedad de Calabi Yau). Pero la estructura de alto espín de cuerdas localiza flujos (campos que tienen por “fuente” p-formas suaves de más de un índice) esto puede parecer una complicación artificial pero en realidad es natural (pues no hay que truncar el espectro de una cuerda), esto produce que las variedades de compactificación ya no sean CY (ni siquiera Kahler o hermíticas), esto habla de lo “fuertes” (pero estables) que son las fluctuaciones de la métrica del espaciotiempo cuántico de la teoría de supercuerdas.

Sólo para indicarnos que la aventura de entender al espaciotiempo (o su microestructura y su relación con el modelo estándar) es mucho más larga y fascinante de lo que incluso las grandes mentes de finales de siglo pasado pudieron imaginar.

La naturaleza una vez más enseñándole al hombre a ser genial :)

¿?

planck

Muy interesante Ramiro. No he leído mucho sobre las teorías de alto spin pero tus comentarios me han llenado de curiosidad. Una cosa está clara: la naturaleza del espacio tiempo es probablemente el reto más complejo, fascinante y trascendente al que se ha enfrentado el ser humano y nosotros tenemos una inmensa suerte de disfrutar de los asombrosos avances teóricos que se están logrando. Como muy bien dices la naturaleza es mucho más increíble de lo que ningún Físico del siglo XX pudiera haber siquiera imaginado y lo más increíble es que podemos tener acceso a sus secretos más profundos. Un saludo.

U-95U-95

Gracias por mi parte también por esta serie de comentarios. Ha sido una gozada leerlos.

Los problemas que les veo a las teorías MOND son: si la gravedad varía como ellas sugieren ¿no debería notarse no ya en la estructura a gran escala del Universo sino también en la estructura de las galaxias?. Algún efecto visible seguramente habría en ambos casos.

Por otro lado sería interesante saber si el cambio de propiedades del gravitón influiría en los modelos de física de partículas.

GatoGato

Que placer leeros de noche, escuchando Claro de Luna, y pensando en cómo hace ya tiempo conseguimos transcribir en código algo tan etéreo y bonito como la música. ¿Cómo será el día en que una persona por fin dé con las claves del solfeo cósmico? ¿Qué sentirá al ver como todo cobra un orden, donde antes solo había una aparente anarquía?

Que pena que las mejores mentes de la humanidad estén quizás cosechando arroz en un pueblo de Bangladesh, o cuidando del hogar de un estúpido hombre de negocios de Yemen. Muy lejos de cualquier oportunidad de ayudarnos a dar ese siguiente paso como especie, que ya bien podríamos haber dado.

Salud

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

Planck (Off-topic)

Me emociona mucho que menciones a Maldacena :) Tienes toda la razón en que es todo un ejemplo e inspiración para los hipanoparlantes. Viene muy bien a colación por lo de Verlinde y la supuesta “revolución”.

Maldacena es todo un ejemplo de como se debe ser genial. Me explico. Tiene momentos de especulación importantísimos, pero su éxito recae en que él ataca problemas técnicos muy concretos. ADS/CFT es un ejemplo de lo que logra la inspiración, sólo cuando hay suficiente background intelectual y el trabajo fuerte (Maldacena es sinónimo de ello) de por medio.

Pedro

Francisco (o quien sea) ¿podrías aclarar a qué te refieres cuando dices “entonces la proporción entre la materia oscura y la materia total no era del 25%”? Por la frase, entiendo que desde los albores del universo se ha creado o destruido materia oscura, pero me parece muy extraño.
Saludos

Francisco R. Villatoro

Pedro, según la teoría del big bang la tarta del contenido del universo ha cambiado conforme se ha expandido y enfriado. Por ejemplo (tomo los datos del libro de Weinberg), cuando el universo tenía 0,1 segundos estaba dominado por leptones (la materia oscura y la materia bariónica constituían menos del 1%), en concreto un 48% de neutrinos, un 32% de electrones y un 19% de fotones; cuando el universo tenía 3 minutos estaba dominado por radiación (la materia oscura, la materia bariónica y los leptones constituían menos del 1%), en concreto un 59% de fotones y un 40% de neutrinos; cuando el universo tenía unos 380.000 años estaba dominado por la materia oscura (la energía oscura era despreciable), en concreto un 63% de materia oscura, un 15% de fotones, un 12% de átomos y un 10% de neutrinos; hoy en día está dominado por la energía oscura (fotones, leptones cargados y neutrinos son despreciables), en concreto un 70% de energía oscura, un 25% de materia oscura y un 5% de materia bariónica.

La evolución térmica del universo corresponde a cambios de fase y el consecuente cambio en su composición.

AlbertAlbert

” … tomo los datos del libro de Weinberg … ”
Por favor, ¿de cuál de sus libros? ¿Los tres primeros minutos del Universo?
Gracias y saludos.

AlbertAlbert

Gracias Francis, veo que desafortunadamente “Cosmology” de Weinberg no ha sido aun publicado traducido al español.
Saludos.

JavierJavier

No entiendo qué es lo que hace este hombre para gastarse un millón de euros al año en producir papers teóricos. Si se lo gasta todo en viajes y dietas no debe de parar ni un segundo en casa.

JoseJose

Un respeto… que se gaste lo que quiera si saca solo una ecuación que valga la decima parte de lo que valga E = mc2

Ricardo CanocobaRicardo Canocoba

Francis atento a tu respuesta sobre si en los microtúbulos de las proteinas de las células humanas tienen información cuántica q se libera al morir y se expande en el espacio infinito al hacer esta aseveración me he basado en una publicación del Físico Roger Penrose, Inglés, que tiene su asiento en el prestigioso Instituto Max Planck, podrías hacerme un referencia sobre este tema y si lo conoces, te estaré muy agradecido

Jorge Martínez

Yo he leído este artículo de Verlinde “On the origin of gravity and the laws of Newton” en el explica cómo su teoría encaja con las leyes de Newton y da una fórmula para calcular la energía de un cuerpo según los bits que contiene es (E=1/2NKT) N es el número de Bits, K la constante de Boltzman y T la temperatura y dice que es equivalente a la ecuación de Einstein E=mc^2. Hice los cálculos y su fórmula se equivoca pos varios órdenes de magnitud.

ElenaElena

Respetado Francis. Acabo de ver por la web una conferencia de Verlinde en el Perimeter Institute, al día siguiente del Nobel otorgado a quienes midieron las ondas gravitacionales. Tengo entendido que el PI es una institución prestigiosa. En dicha conferencia, Verlinde dice que realizó todos sus cálculos y que los mismos coinciden con la constante de Hubble. En ellos hace una descripción termodinámica del espacio-tiempo, que describe como la suma total del entanglement de todos los qubits, de la que él deriva la gravedad, en consecuencia. El Perimeter Institute cometió un error al invitarlo, o en algo puede llegar a estar bien encaminado Verlinde?

Francisco R. Villatoro

Elena, el PI es una institución muy peculiar centrada en investigaciones muy especulativas; decir que es una “institución prestigiosa” es ignorar la opinión de la mayoría de los físicos (comparado con el IAS su prestigio (medido, por ejemplo, en Premios Nobel) es casi nulo). Verlinde ha sido invitado a muchas instituciones (como el CERN) a dar charlas sobre sus ideas, pero eso no les da ningún valor, más allá de que Verlinde es famoso y por tanto atrae público no experto a dichas charlas.

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