¿Cuáles son las posibilidades de que la materia oscura y la energía oscura se conviertan en el equivalente del siglo XXI de los epiciclos de Ptolomeo? ¿Podrían nuestras teorías favoritas estar incompletas?

La materia oscura y la energía oscura son dos conceptos conceptualmente difíciles de comprender para las personas, y creo que eso tiende a alimentar la mayor parte de la “duda” que se emite sobre el tema. Los nombres “Energía oscura” y “Materia oscura” también parecen dar una molesta cualidad mística a ambas ideas y oscurecen su significado. Aunque la existencia tanto de DE como de DM ciertamente será el fuego bajo los pies de los teóricos en el futuro previsible, la idea de que su existencia producirá un cambio de paradigma en nuestra comprensión general de cómo funcionan las cosas parece un poco dudosa.

Energía Oscura es otro nombre para el componente de “constante cosmológica” del universo. Es un simple “factor de fraude” para la relatividad general, pero uno que, al menos cualitativamente, ya sabíamos que existía antes de que se realizaran mediciones cosmológicas. Conceptualmente, una constante cosmológica le da al espacio-tiempo una densidad de energía propia . El ‘vacío’ en sí tiene una densidad de energía. ¡Pero ya lo sabíamos por la mecánica cuántica! El problema para los teóricos es un ajuste fino: actualmente no hay forma de explicar naturalmente por qué la constante cosmológica tiene el valor que medimos.

Dark Matter : es mucho menos confuso conceptualmente. Es solo materia que no interactúa con la luz (no se acopla a los campos electromagnéticos). Me senté en un simposio de Lisa Randall hace una semana o dos y dijo que a menudo se confunde cuando la gente es escéptica sobre “Dark Matter”. Ella dijo que nadie debería sorprenderse de que haya un componente del universo que no interactúe a través del electromagnetismo. ¡Dijo que estaba más preocupada por qué este componente del universo es tan pequeño! La cantidad de materia oscura es aproximadamente la misma (dentro de un orden de magnitud) a la cantidad de materia bariónica. ¿Por qué no es mil veces más grande? ¿Por qué no es mil veces más pequeño?

Una palabra sobre la gravedad modificada: una de las ideas que intenta explicar la energía oscura y la materia oscura es idear un nuevo modelo teórico de la gravedad. Tal vez no haya nuevos componentes del universo que ya hayamos visto, ¡pero tenemos las leyes de la gravedad equivocadas! En la medida en que, presumiblemente, uno puede crear un “modelo” de gravedad que se ajuste a las observaciones, tiene un gran costo. Cuando visité la Universidad de Chicago, pasé unos 15 minutos con Wayne Hu, uno de los principales cosmólogos teóricos de los Estados Unidos. Le pregunté acerca de las teorías de la gravedad modificada y qué pensaba sobre ellas, y recuerdo que dijo que el problema con estos modelos es que es difícil encontrar una alternativa natural a la Relatividad General, que es extremadamente elegante y nos ha servido muy bien. en el pasado. Para mí, parece que un nuevo componente de materia previamente desconocido es una idea mucho más fácil de tragar que la idea de que la Relatividad General falla a gran escala.

En resumen, la verdadera respuesta a su pregunta es: nadie lo sabe . ¿Qué tan profundo va realmente la madriguera del conejo? ¿Alguna vez vamos a encontrar un modelo teórico natural que explique la naturaleza cualitativa y cuantitativa de la materia oscura y la energía oscura? ¿Esa explicación anulará nuestra comprensión actual del universo y marcará el comienzo de un nuevo paradigma, como lo hizo la mecánica cuántica y la relatividad general a principios del siglo XX? Tal vez. Pero no veo muchas razones convincentes para creerlo.

La teoría de los epiciclos de Ptolomeo (o, más exactamente, Apolonio) hizo algo bastante específico y bastante extraordinario. Antes de saltar a considerar hipótesis contemporáneas como la materia oscura y la energía oscura, vale la pena detenerse para comprender qué fue eso.

En los primeros tres siglos antes de Cristo, la mejor teoría de los movimientos de los cuerpos celestes fue la teoría de Eudoxus, que planteaba la hipótesis de un simple movimiento circular del sol y otros cuerpos celestes alrededor de la tierra. Pero Eudoxo y sus contemporáneos sabían que esto no se ajustaba a todos los movimientos observados de los cuerpos celestes. Por ejemplo, sabían que la velocidad angular aparente del sol no era constante, y sabían que los brillos aparentes de la luna y los planetas no coincidían con las distancias que implicaba la teoría.

Se probaron varias soluciones durante los siguientes cien años más o menos, pero ninguna fue satisfactoria, hasta que se hizo un avance que acomodaba todas las observaciones, pero, paradójicamente, hizo que la teoría careciera de contenido.

Este avance fue hecho por Apolonio (275–160 aC) cuando inventó los epiciclos. Muy corto:

• Un epiciclo de grado cero es el movimiento circular de un cuerpo alrededor de la tierra.
• Un epiciclo de primer grado es el movimiento circular de un cuerpo alrededor de un centro que está en movimiento circular alrededor de la tierra.
• Un epiciclo de segundo grado es el movimiento circular de un cuerpo alrededor de un centro que está en movimiento circular alrededor de un centro que está en movimiento circular alrededor de la tierra.
• … y así.

(Un epiciclo de segundo grado: Fuente de la imagen: El Universo de Aristóteles y Ptolomeo)

Los pensadores de la época se dieron cuenta rápidamente de que, si bien esto les permitía adaptar la teoría a la observación, iba demasiado lejos: la teoría ahora podía acomodar cualquier observación, y por lo tanto ahora era demasiado flexible para tener algún poder predictivo. Hiparco (siglo I a. C.) demostró que un cuerpo que se mueve con velocidad constante en cualquier órbita excéntrica podría describirse precisamente por el movimiento epicétrico geocéntrico. Lo que Hipparchus sospechaba claramente, pero no podía probar con las herramientas matemáticas a su disposición, es el resultado más sólido de que cualquier camino puede ser descrito por epiciclos suficientemente complejos centrados en una tierra estacionaria, y dentro de cualquier grado deseado de precisión. *

Por lo tanto, la teoría era, usando un término moderno, imposible de verificar. Cualquier observación podría ser acomodada por alguna serie de epiciclos. Sin embargo, sin una teoría alternativa disponible, las observaciones se combinaron con los sistemas de epiciclos durante cientos de años. ** Y todo lo que se demostró fue la extrema flexibilidad del sistema cinemático utilizado. Los epiciclos se han mantenido desde entonces como un ejemplo de la cantidad en que una vieja teoría puede ser “arreglada” para acomodar cualquier observación nueva.

(De paso, si vienes a esto por primera vez, vale la pena notar la comprensión y el nivel de conocimiento de Hiparco. Al mirar la historia de la ciencia, el nivel de conocimiento de los mejores pensadores siempre es sorprendente, incluso más que hace dos mil años)

Antes de continuar, consideremos dos ocasiones más cuando la teoría de la gravedad prevaleciente mostró anomalías. Estos casos son instructivos para contrastar con los epiciclos, ya que son situaciones claramente diferentes.

Observando el planeta Urano en 1821, Alexis Bouvard publicó tablas que mostraban irregularidades frente a las predicciones de la mecánica newtoniana. Dos hombres: Urbain le Verrier en Francia y John Adams en Inglaterra, ambos usaron estos para hacer una predicción empírica. Si la teoría de Newton era correcta, tenía que haber un planeta no observado que siguiera una órbita particular que pudieran calcular. Y mediante unas matemáticas asombrosamente brillantes, resolvieron exactamente dónde decirles a los astrónomos que apuntaran sus telescopios. Esto lo hicieron (Le Verrier primero). Y los astrónomos vieron a Neptuno.

Más tarde, Le Verrier se puso a trabajar en las irregularidades observadas en la órbita de Mercurio e intentó repetir su truco, planteando la hipótesis de que había otro planeta: Vulcano, en una órbita entre Mercurio y el Sol. Esta vez estaba equivocado. Los telescopios no lograron encontrar Vulcan, y varias décadas después, descubrimos que las irregularidades eran en realidad el resultado de que la mecánica newtoniana estaba ligeramente equivocada en el entorno de alta gravedad cerca del sol. La dinámica correcta fue dada por la Teoría General de la Relatividad de Einstein, en 1915, y estas correcciones explicaron las irregularidades de Mercurio.

Entonces, ahora tenemos tres casos, que podemos nombrar después de los ejemplos que usamos:

Epiciclos: irregularidades en una teoría existente que dan lugar a maquinaria teórica masivamente flexible, tan flexible que puede acomodar cualquier observación.

Neptuno: irregularidades en una teoría existente que dan lugar a una predicción empírica, y es correcto.

Vulcano: irregularidades en una teoría existente que dan lugar a una predicción empírica, y está mal. En cambio, la teoría necesita ser reemplazada.

Entonces, ahora la pregunta es aplicar el mismo pensamiento a la materia oscura y la energía oscura: ¿son estos los equivalentes modernos de los epiciclos? ¿Estas hipótesis que hemos introducido han hecho que la Teoría general de la relatividad sea lo suficientemente flexible como para acomodar cualquier observación? ¿O estamos mirando algo más cercano a los otros dos casos?

Veamos primero la materia oscura. La pregunta crítica es, ¿es lo suficientemente flexible como para ajustarse a la fuerza a cualquier observación? Y la respuesta aquí es no. La hipótesis de la materia oscura es obedecer a la gravedad, pero no ser visible en el espectro electromagnético. La restricción que tiene que obedecer a la gravedad en sí misma pone un montón de restricciones en su dinámica, y los físicos están ocupados tratando de averiguar cómo se modelan en varias circunstancias (formación de galaxias, fondo de microondas, colisiones de racimo) y de la partícula Al final de la física, están tratando de determinar qué propiedades podría tener esta sustancia para poder buscar las firmas de sus partículas constituyentes en laboratorios de partículas grandes como el CERN.

Esta es una predicción de tipo Neptuno / Vulcano. Una nueva irregularidad en la teoría prevaleciente ha llevado a una predicción empírica. Existe un nuevo tipo de materia que debemos buscar.

¿Saldrá finalmente la materia oscura como el descubrimiento de Neptuno: en una reivindicación triunfante de GR; o como Vulcan: ¿una predicción errónea y, en retrospectiva, una señal de que GR necesita ser reemplazado?

No lo sabemos Una pequeña minoría de físicos está adivinando que es una situación “vulcana” y está investigando teorías alternativas de la gravedad (MOND, TeVeS, etc.). Sin embargo, la mayoría de los físicos apuestan a que estamos viendo una situación similar a la de Neptuno y están dedicando sus carreras al trabajo que es el equivalente moderno de los cálculos de Le Verrier y Adams, para descubrir cómo “apuntar el telescopio en el lugar correcto”. Pero, por supuesto, los telescopios reales no funcionarán esta vez (solo detectan señales electromagnéticas). Necesitamos usar algún tipo diferente de método de detección. Quizás este moderno “telescopio” termine siendo un acelerador de partículas. Tal vez sea un detector de ondas de gravedad.

Vamos a averiguar.

Ahora a la energía oscura. Hasta donde podemos ver, la energía oscura es solo una constante cosmológica. Es decir, en las ecuaciones de campo de Einstein:

[matemáticas] R _ {\ mu \ nu} – \ frac {1} {2} R g _ {\ mu \ nu} + \ Lambda g _ {\ mu \ nu} = \ frac {8 \ pi G} {c ^ 4 } T _ {\ mu \ nu} [/ matemáticas]

Parece que la energía oscura es un valor de [matemáticas] \ Lambda [/ matemáticas]: un solo número. Un grado de libertad. Entonces, si estamos afirmando que la energía oscura es una solución que permite suficiente libertad para explicar todo , entonces tenemos que enfrentar el hecho de que un número no nos lleva muy lejos. Entonces, la energía oscura tampoco es como los epiciclos. Para epiciclos, necesita un suministro ilimitado de números. Y aquí, la estructura de la teoría de Einstein viene al rescate: simplemente no es posible agregar más grados de libertad sin arruinar las simetrías que condujeron a la teoría en primer lugar. De nuevo, no hay epiciclos.

Entonces, ¿dónde estamos?

Recuerde que los usuarios de epiciclos sabían muy bien que la asombrosa flexibilidad de la teoría de Apolonio los había llevado a una posición donde podían acomodar cualquier observación.

Sabemos que esto no es así hoy. Podemos demostrar que incluso con las hipótesis de la materia oscura y la energía oscura, la teoría de GR es falsable, y ni la hipótesis de la energía oscura ni la materia oscura son culpables de agregar “demasiada” flexibilidad. Tendríamos que agregar un montón de cosas adicionales antes de estar en territorio epicicloidal.

Como resultado, creemos que estamos en una situación de “Le Verrier”. Lo que no sabemos es si estamos en una situación de “Le Verrier + Neptuno” o en una situación de “Le Verrier + Vulcan”.

Cientos de personas están tratando de averiguar cuál es.

[*] Si sientes que esto recuerda a la serie Fourier, entonces tienes razón. La serie de epiciclos se puede construir como una serie de Fourier de cualquier ruta dada y la serie se puede extender para dar la precisión requerida. Hiparco no podría probar este resultado general sin cálculo.

[**] Ptolomeo y otros también utilizaron “arreglos” adicionales, como el punctum aequans , que le permitió reducir la cantidad de epiciclos necesarios para describir movimientos particularmente difíciles. Estrictamente hablando, estos no eran necesarios, pero permitían que los movimientos se describieran de manera más simple que solo con epiciclos.

Bastante bueno.

De hecho, estoy convencido de que existe una teoría simple y elegante para la formación de galaxias que aún no se ha descubierto que explicará por qué las curvas de rotación de galaxias son lo que son. Esta es una opinión generalizada, ya que no existe una teoría para la formación de galaxias, principalmente porque esto sucedió en las “edades oscuras”, donde no hay luz observable.

Estoy bastante seguro de que una vez que descubramos cómo se formaron las galaxias, muchas cosas tendrán sentido de repente.

Sabemos que nuestra comprensión de la materia oscura y la energía oscura es incompleta, simplemente no sabemos cómo están incompletas.

En este momento hay cada vez más evidencia de la materia oscura, por lo que parece cada vez menos probable que haya una explicación alternativa simple. La energía oscura sigue siendo un gran misterio, por lo que existe una buena posibilidad de que nos hayamos perdido una explicación simple.

Cabe señalar que las personas están trabajando en explicaciones alternativas para la materia oscura y la energía oscura, pero en este momento todas ellas requieren más “epiciclos” que la materia oscura o la energía oscura.

Hay un pequeño pero creciente grupo de físicos que dudan severamente de que la materia oscura exista. Se ve como una falsificación para explicar un comportamiento inesperado que no se ajusta a los modelos actuales (casi todos los físicos parecen estar de acuerdo con esa última afirmación). Una teoría alternativa es que nuestras teorías de la gravedad son válidas solo a pequeña escala, pero no funcionan en el cosmos más grandioso (al igual que la física newtoniana es adecuada para la mayoría de las cosas en la Tierra, pero no es completamente correcta). Aquí hay un ejemplo de tal teoría:

http://discovermagazine.com/2003 …

Por lo tanto, mi suposición no informada es que la materia oscura será desmantelada y se convertirá en un callejón sin salida en la historia. No menos importante porque después de décadas de reflexionar, ningún físico parece tener la más mínima idea de lo que es la materia oscura, solo que la necesitan para falsificar sus ecuaciones para que coincidan con la realidad observada.

Se podría argumentar que los epiciclos de Ptolomeo no eran ciencia, ya que no predecían los resultados de los experimentos. Claro que podrían modificarse para coincidir con nuevas observaciones, pero no predijeron nada, que es el propósito de una hipótesis.
Dark Energy y Dark Matter son hipótesis claramente comprobables que se mantendrán o caerán según los resultados que predicen
Tenga cuidado con la hipótesis no comprobable de que, por hermosa y atractiva que sea, tiene más en común con la religión que con la ciencia.

Hay muchas posibilidades de que la materia oscura no sea materia, pero nadie ignora esa posibilidad. La mayoría simplemente usa la frase para indicar el problema, no tanto para afirmar una solución particular, ya que aún no existe ninguna.

La energía oscura no es nada complicada, y probablemente se explica ajustando un término que estaba en la ecuación original de Einstein, sacado porque nadie sabía que el espacio-tiempo realmente se estaba expandiendo, y volviendo a entrar cuando se descubrió la expansión. Si se reemplaza por otra cosa, es probable que se vuelva más complicado, no menos.

Es bien sabido y no se discute que nuestras teorías actuales son incompletas. Nunca habrá otra adhesión obstinada a una teoría pobre a menos que la ciencia vuelva a estar dominada por la religión. Podríamos vivir para ver que eso suceda.

Durante el último siglo más, la rueda ha girado 360 grados. En el siglo XIX, se pensaba que el Universo estaba impregnado de un “éter”. Luego, el trabajo de Einstein con la relatividad aparentemente desacreditó esta noción. Giro de 180 grados.

Ahora los científicos (como John Hoffman en este hilo) dicen cosas como “una constante cosmológica le da al espacio-tiempo una densidad de energía propia . El ‘vacío’ en sí tiene una densidad de energía”. Otro giro de 180 grados. ¡Uno podría ser excusado por pensar que hemos reinventado el éter! ¡El espacio no es nada que esté lleno de algo! ¡Solo tócalo de una manera divertida y todo un universo surgirá de la nada!

Entonces, a pesar de lo que dicen Lisa Randall y otros, hay un rincón de mi mente reservado para la posibilidad de que estos fenómenos inexplicables resulten ser el equivalente del siglo XXI de los epiciclos de Ptolomeo. ¿Inflación? ¡Un epiciclo si alguna vez vi uno!

Sabiduría convencional del siglo 22: “No fue hasta que supimos acerca de las transformaciones transifram que realmente entendimos los ciclos del metauniverso más allá del tiempo y el espacio”. Manténganse al tanto.

Yo diría bastante probable. Utilizando los principios de la cosmología del plasma, las líneas de campo magnético de una galaxia espiral siguen los brazos espirales, y el plasma difuso del medio interestelar es un conductor eficiente a través de filamentos visibles. Los campos magnéticos inducen corrientes eléctricas, y las corrientes eléctricas que fluyen inducen campos magnéticos. La fuerza de estos campos es mucho más fuerte que las fuerzas gravitacionales en una galaxia.

La materia oscura se propuso por primera vez para “solucionar” este problema, que la velocidad angular de las estrellas externas en una galaxia espiral es la misma que la velocidad angular de las estrellas internas, en contra de lo que son los planetas en nuestro sistema solar. Desde entonces, se ha utilizado en muchas simulaciones de galaxias y big bang en modelos de computadora … y muchos astrofísicos y cosmólogos son “expertos” en los modelos, pero se parecen mucho a los juegos de computadora.

Quizás la mejor manera de resolver estos dos “problemas oscuros” es tratar de mantenerse dentro del rango de posibilidades estrechamente definido que sugiere su evidencia empírica. No me refiero a que los profesionales frustrados no lo intenten, pero ir “Ptolemaico” con esta complejidad cada vez mayor parece no funcionar con ellos. Son hipótesis decepcionantes estéticamente para estar seguros, pero resuelven sus problemas.

La materia oscura puede ser simplemente neutrones, lo cual es difícil de justificar (y han sido descartados, ya que tienen vidas de solo quince minutos debido a la fuerza débil, neutrinos que dividen los neutrones. Por lo tanto, supongo que simplemente no se dividen porque solo la fuerza débil ocurre alrededor de Bright Matter (en estrellas y nubes). Si es tan limitado, entonces los neutrones describirían Dark Matter.

La energía oscura tendría sentido si se cree que los campos gravitacionales están formados por partículas positivas y negativas y están tan polarizados. El Sol entonces sería “positivo” hasta aproximadamente donde está ahora la Voyager 1 (con aceleración inversamente cuadrada a medida que retrocede). Marte está cuatro veces más alejado del Sol que Mercurio, por lo que su velocidad orbital es la mitad de eso ‘; Plutón está cien veces más alejado del Sol que Mercurio, por lo que su velocidad es una décima parte. (Mercurio tiene 106,000 mph).

Entonces el campo de MW tomaría el control y, debido a un equilibrio entre partículas positivas y negativas, sería “neutral” con una aceleración que aumenta lentamente hasta su borde. Mientras que la velocidad orbital del Sol es de 630,000 mph. (aproximadamente a la mitad de ese radio), estrellas en la órbita del borde del MW a aproximadamente 700,000 mph). Como la aceleración orbital del MW aumenta desde su centro, debe aumentar su “negatividad” (¡lo cual parece perverso!). Finalmente, los campos gravitacionales se vuelven tan negativos que deben repelerse mutuamente, aunque esto finalmente no sucede hasta que en el límite del espacio-tiempo entre el “Grupo Local” MW-Andromeda-Triangulum y el universo mayor (de lo contrario, MW y Andromeda nunca se fusionarían). ) Sin embargo, este factor repulsivo sería la razón por la cual el universo “se disuelve” más allá de nuestro Grupo.

Estos problemas solo se resuelven si los hechos pueden dictar su propia lógica (¡sin embargo, wyrd!).

La pregunta es al revés en que la materia oscura es un marcador de posición desconocido explícito. Los epiciclos eran incómodos para explicar los datos. Compárese con la dinámica newtoniana modificada que cambia la gravedad a larga distancia.