Para comenzar, es importante establecer un poco la nomenclatura.
Toda la materia está compuesta de campos.
En la física moderna, cada partícula conocida es una excitación de un campo. Un electrón, por ejemplo, es solo una excitación del campo electrón-positrón (ver Electrodinámica cuántica); dependiendo de si el electrón está libre o unido a un átomo, esta excitación puede ser una onda plana extendida o una protuberancia localizada. Lo mismo se aplica a los fotones: son excitaciones del campo electromagnético (o, más generalmente, del campo de electroválvulas). En este sentido, es prácticamente universalmente aceptado que la materia oscura es un campo.
La gravedad es un tipo especial de campo.
Es interesante que compares la materia oscura con la gravedad, porque la gravedad es realmente muy diferente de los otros tipos de campos. Esto se debe a que los campos gravitacionales son deformaciones del espacio-tiempo en sí mismo, mientras que, en contraste, todos los demás campos conocidos (positrón de electrones, electroválvula, quark, etc. ) se establecen en el fondo definido por la gravedad. Esta es en realidad una de las razones por las cuales es tan difícil encontrar una versión cuántica de la relatividad general que funcione en todas las escalas de energía. Entonces, la materia oscura es probablemente un campo, pero probablemente no es similar a la gravedad.
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Modificaciones a la relatividad general.
Una cosa que la gente se ha preguntado es si lo que llamamos materia oscura podría ser un efecto debido a una corrección de la relatividad general. Sin embargo, todas las teorías alternativas han fallado por una razón u otra. En particular, en el caso de la materia oscura, hay evidencia que muestra que puede estar rezagada con respecto a la materia ‘normal’ en una colisión ([astro-ph / 0608407] Una prueba empírica directa de la existencia de materia oscura), que es lo que cabría esperar si la materia oscura es su propia forma de materia, pero es muy difícil de explicar simplemente modificando la gravedad.
La materia oscura no es realmente tan rara
Tenga en cuenta que la materia oscura en sí no es una cosa tan exótica: es solo materia que interactúa muy débilmente con el campo electromagnético. Sabemos que existe ese asunto: los neutrinos son un ejemplo. Desafortunadamente, los neutrinos no son suficientes y no tienen las propiedades correctas para dar cuenta de toda la materia oscura que se ve en el universo.
Energía oscura
La energía oscura es una bestia muy diferente, ya que no tiene que ser un campo en particular, sino que simplemente puede ser un efecto secundario de los campos existentes. Los campos cuánticos exhiben energía distinta de cero en el estado de vacío, lo que lleva a la existencia de energía de vacío que persiste incluso cuando no hay excitaciones presentes. Esto es esencialmente una consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg.
En la física no relativista, el nivel cero para la energía potencial es arbitrario y, por lo tanto, la energía del vacío puede ignorarse con seguridad. Sin embargo, en la relatividad general, la energía es masa y, por lo tanto, crea un campo gravitacional. La energía de vacío genera exactamente el tipo de campo gravitacional que se espera de la energía oscura. Esto parece hacer que el problema de la energía oscura sea fácil de resolver: tenemos muchos campos alrededor, entonces, ¿por qué la energía oscura no puede ser la energía de vacío asociada a estos campos? La respuesta a esto es interesante y frustrante al mismo tiempo.
La catástrofe del vacío
Una forma de pensar sobre la energía del vacío es como la suma de las energías de punto cero de muchos osciladores armónicos cuánticos, uno en cada punto del espacio. Sin embargo, hay infinitos puntos en cualquier región del espacio, no importa cuán pequeño sea, ¡así que parece que esta energía debería ser infinita! Infinitos como este aparecen todo el tiempo en las teorías de campo cuántico, y la resolución proviene de suponer que las teorías que conocemos son solo teorías efectivas que describen la forma en que funciona el universo a escalas de distancia lo suficientemente grandes, pero no describen los detalles de distancia extremadamente pequeños adecuadamente .
Esto suele ser más fácil de entender cuando piensas en lo que sucede en un medio. Hay excitaciones en los cristales, por ejemplo, que pueden describirse mediante ecuaciones que son similares a las ecuaciones utilizadas para describir campos fundamentales (como el electromagnético). Sin embargo, en el caso de un cristal, está claro que no puede tener excitaciones más pequeñas que la constante de la red. Esto esencialmente impone un límite de distancia.
Usando tal límite de distancia para los campos en el Modelo Estándar, uno puede encontrar un valor finito para la densidad de la energía de vacío. ¡El problema es que obtenemos una energía de vacío que es 120 órdenes de magnitud más grande que la densidad de energía oscura observada! Esta es la catástrofe del vacío, el peor desajuste entre la teoría y la observación en cualquier rama de la física, y casi seguramente en toda la ciencia. Por supuesto, hay soluciones propuestas, pero aún no hay suficientes datos experimentales u observacionales para identificar la (s) correcta (s).
SUSY
Una idea particularmente agradable es la supersimetría (SUSY), una teoría que postula la existencia de una cierta simetría entre bosones y fermiones. Los campos fermiónicos tienen una energía de vacío de signo opuesto en comparación con los campos bosónicos, por lo que la supersimetría predice que la energía de vacío desaparece exactamente. Esto no suena demasiado bien, ¡ahora no podemos resolver el problema de la energía oscura en absoluto! Sin embargo, una pequeña ruptura espontánea de SUSY puede aliviar este problema.
(La ruptura de la simetría es otro tema muy interesante que es, por ejemplo, la razón por la cual el bosón de Higgs es tan importante [no, su propósito no es ‘dar a las partículas su masa’ …]. Sin embargo, esa es una historia bastante larga en en sí mismo, así que no voy a entrar aquí).
En conclusión, las explicaciones más simples para la materia oscura, que se debe a una modificación en la ley de la gravedad, o que se debe a partículas conocidas que interactúan débilmente, ya se han investigado de manera bastante exhaustiva y probablemente no sean ciertas. La energía oscura es un tema completamente diferente a pesar del nombre similar, y se sabe mucho menos al respecto. Sin embargo, hay mucha investigación en curso en ambas áreas y, con suerte, es solo cuestión de tiempo hasta que veamos algunos avances.
