La sorprendente solución del problema de la energía oscura gracias a los efectos no inerciales en teoría cuántica de campos

Por Francisco R. Villatoro, el 6 julio, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 9

Todo el mundo que estudia mecánica newtoniana sabe que existen «fuerzas ficticias» asociadas a los sistemas de referencia acelerados, los que no cumplen la invariancia de Galileo. En mecánica relativista también aparecen en los sistemas de referencia que no cumplen la invariancia de Poincaré; pero nunca me había planteado cuál podría ser su efecto en teorías cuánticas de campos, donde siempre se usan sistemas de referencia a velocidad constante. Me ha resultado muy curioso un artículo Nature Reviews Physics que estudia su efecto sobre la energía del vacío, la famosa constante cosmológica Λ. Resulta que el valor de Λ debe incluir la contribución de los «efectos ficticios» asociados a que las fluctuaciones de vacío estén aceleradas y que no cumplan la invariancia de Poincaré; para calcular dicho efecto los autores recomiendan usar la cuantización del frente de luz (LF, por Light-Front), en lugar de la cuantización canónica (que llaman IF, por Instant-Form). Lo más sorprendente de su cálculo es que Λ=0 en la cuantización LF; así el famoso problema de la constante cosmológica como energía del vacío sería un «problema ficticio».

Recuerda que el valor estimado de la constante cosmológica es Λ = 8 π G ρ, donde la energía del vacío observada es ρ ≈ (0.002 eV)⁴. Sin embargo, un cálculo naif de la energía promedio asociada a las fluctuaciones del vacío da ρ = ∞, pero si se aplica un corte a la energía de Planck se obtiene un valor de ρ ≈ (10¹⁹ GeV)⁴ = (10²⁸ eV)⁴, un valor que es unos 120 órdenes de magnitud más grande; en realidad, el cálculo correcto debería usar como energía de corte la energía del vacío del campo de Higgs, resultando ρ ≈ (250 GeV)⁴ = (2.5 × 10¹¹ eV)⁴, un valor que «solo» es 56 órdenes de magnitud más grande del observado. Una diferencia entre teoría y observación en 56 órdenes de magnitud es el problema más grave de toda la física, bautizado como uno de los problemas de la constante cosmológica (pues hay otros, como el problema de la coincidencia). El nuevo artículo propone eliminar de un plumazo este «problemón». El cálculo de la energía del vacío usando la cuantización del frente de onda conduce a ρ = 0. Si aceptamos esta solución Λ=0 y el valor cosmológico observado sería debido a pequeñas correcciones cuánticas en el cálculo debido a efectos de gravitación cuántica.

Obviamente, no todos los físicos teóricos estarán de acuerdo con la solución propuesta en este nuevo artículo. Si te interesa profundizar te recomiendo leer el breve artículo de S. J. Brodsky, A. Deur, C. D. Roberts, «Artificial Dynamical Effects in Quantum Field Theory,» Nature Reviews Physics (09 May 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s42254-022-00453-3, arXiv:2202.06051 [hep-ph] (12 Feb 2022). Por cierto, en este blog también puedes leer «La energía oscura, la constante cosmológica y la masa de los neutrinos», LCMF, 10 ago 2015, y «Einstein nunca dijo que su «mayor error» fue la constante cosmológica», LCMF, 19 may 2013



9 Comentarios

    1. Coincido con Pedro, echo de menos la opinión de Francis. Pero al leer el artículo tuve una sensación como de volver a principios del siglo XX. Lo que no es nada malo en realidad…

      1. Los sistemas de referencia no inerciales más sencillos, los sistemas uniformemente acelerados (aquellos en el que el campo gravitatorio es constante, de acuerdo al principio de equivalencia, aunque el espaciotiempo es plano), no se tratan en teoría cuántica de campos al estudiar la radiación de Unruh?

      2. Al intentar leer este brillante artículo divulgativo, me acuerdo de una de las ideas más celebradas de Feyman: «Si no sabes explicar algo de manera sencilla, es que no lo has entendido». Esta visión tiene una inteligente variante para la Mecánica Cuántica…

  1. Pedro, Jonny y los demás, en mi opinión se trata de una curiosidad. El cálculo de Brodsky et al. se limita a los estados condensados en cromodinámica cuántica (QCD) y no está claro cómo se debe aplicar (si es posible) a la interacción electrodébil (EW), así que la solución propuesta para Λ = 0 en realidad solo resuelve el problema para la contribución QCD (el cálculo original se publicó en PNAS en 2011) y no afecta a la contribución EW, que sigue estando a unos 56 órdenes de magnitud por encima del valor observacional.

    Mi intención con esta pieza es motivar a los jóvenes físicos a estudiar esta cuestión. Quizás sea posible extender la idea de Brodsky et al. a la EW y así resolver de forma definitiva el problema de la constante cosmológica. O quizás no sea posible, pero creo que merece la pena estudiar dicha posibilidad.

  2. Lo de fuerza ficticia es un concepto que nunca he entendido. ¿Cómo puede ser ficticia una fuerza que te saca de la carretera en una curva e incluso te puede hacer volcar el coche?
    La segunda ley de Newton dice;
    1) Si se aplica una fuerza a un objeto se produce una aceleración
    2) Si se aplica una aceleración a un objeto se produce una fuerza
    3) Si se hace la aceleración igual a uno (definición de campo), se obtiene un campo que tiene unidades de aceleración. Es decir, la masa es el campo generado por la aceleración del espacio. La masa no tiene nada que ver con el bosón de Higgs.

    Si das vueltas en una rotonda, el observador situado en el centro de la rotonda, observa la aceleración del coche. Mientras que el observador quieto con respecto al coche, lo que observa es la fuerza producida por la aceleración. Son sistemas de referencia distintos y por lo tanto observan cosas distintas. En un sistema se observa la aceleración (causa) y en el otro sistema, acelerado con respecto al primero, se observa el efecto.

    Ya seria hora de cambiar lo de “fuerza ficticia” por fuerza real debida a la aceleración. Pero a ver quien se atreve a ponerle “el cascabel al gato.”

    En cuanto alartículo, ya era hora de que alguien tuviera en cuenta que la aceleración produce una fuerza

      1. Aunque son nombres desafortunados, y tal vez confunden, son simplemente nombres.

        Igual que los números «imaginarios», que no son imaginarios.

        O las nebulosas planetarias, que no son planetarias.

        O la materia oscura, que no es materia ni es oscura.

        O por ejemplo la «Cromodinámica cuántica», que asigna colores a las partículas, las cuales jamás tendrían colores.

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