La Quintaesencia o el Éter moderno

22/04/2011 6 comentarios
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En la Edad Media, la quintaesencia (del latín quinta essentia) era un elemento hipotético, también denominado éter (del latín æthēr y éste del griego αἰθήρ aithēr, ‘cielo’, ‘substancia etérea’ y ‘parte más alta del firmamento’). Conocido en épocas presocráticas como el quinto elemento, se le consideraba a menudo junto con los cuatro elementos clásicos de la naturaleza: tierra, agua, fuego y aire. El éter, o la quintaesencia, era una hipotética sustancia extremadamente ligera que se creía que ocupaba todos los espacios vacíos como un fluido. Más tarde fue usado por los físicos del siglo XIX como sustrato para la propagación de las ondas de luz, de la misma manera que el sonido se propaga en un cuerpo material, o las ondas en el agua, ya que parecía inconcebible que una onda se propagara en el vacío sin soporte material. Los experimentos de Michelson y Morley a finales del s. XIX mostraron la imposibilidad de medir la velocidad de la Tierra respecto a este hipotético medio, lo que llevó a Einstein a proponer su teoría de la relatividad especial y desterrar el concepto del éter como sustrato universal e intangible que permea el espacio vacío.

Sin embargo, la idea del éter o quintaesencia parece haber tenido un renacer en el concepto moderno de la energía oscura como sustancia responsable de la aceleración actual del universo. Ahora bien, esto no quiere decir que se trate del mismo sustrato, ni que hayamos abandonado la teoría de la relatividad de Einstein. El moderno éter satisface las leyes de la relatividad especial y general. Lo que ha cambiado es el concepto de vacío. Este describe un estado físico de ausencia de partículas, un espacio-tiempo sin materia, pero posiblemente con curvatura y, por tanto, energía. Tal estado espacio-temporal es invariante bajo transformaciones de Lorentz locales, y además es covariante general. La única distribución de materia que satisface estas condiciones es una constante con dimensiones de presión, conocida como la constante cosmológica e introducida por Einstein en 1917 en su primer modelo cosmológico. Más tarde, con el desarrollo de la física cuántica y el descubrimiento del principio de incertidumbre de Heisenberg, se comprendió que el vacío de partículas no puede de hecho estar vacío de energía, pues siempre es posible crear pares virtuales partícula-antipartícula del vacío, que vuelven a desaparecer en un intervalo de tiempo infinitesimal, de acuerdo con el principio de incertidumbre. Esta "ebullición" de partículas virtuales contribuye a la energía del vacío exactamente como una constante cosmológica (por ahora somos incapaces de diferenciar una de otra haciendo experimentos).

Una constante cosmológica corresponde, en el contexto de la relatividad general, a un fluido con densidad de energía constante y presión negativa. Un fluido como tal tiene propiedades muy extrañas. Según la segunda ley de la termodinámica, si un fluido con densidad de energía constante se expande  (dV > 0)  de forma adiabática  (dS = 0),  su energía total aumenta     (dU > 0), por lo que necesariamente responderá con una presión negativa, p = –dU/dV < 0, que hará que el fluido se expanda aún más, sin que su densidad de energía se diluya, ya que es constante. Esta presión negativa es la responsable de que puntos separados una cierta distancia en ese espacio-tiempo se alejen cada vez más rápidamente y por tanto hablemos de una expansión acelerada del universo. Se suele asociar con una "repulsión" gravitacional y es un concepto exclusivamente relativista: en la teoría de Newton la presión no gravita. Nótese que se trata del "estiramiento" del propio espacio-tiempo, localmente las partículas satisfacen las leyes de la relatividad especial y no se mueven nunca más rápidamente que la luz. Si observáramos objetos lejanos en ese espacio-tiempo, habría un momento en que dejaríamos de verlos pues el estiramiento del espacio impediría que hasta la luz que emiten nos pudiera llegar. A esto se le conoce como un horizonte de sucesos, un concepto análogo al de horizonte de un agujero negro.

¿De dónde proviene pues esa densidad de energía de vacío, ese éter o quintaesencia, esa energía oscura, responsable de la aceleración actual del universo? Nadie lo sabe. Es uno de los mayores misterios no sólo de la Cosmología, sino de toda la Física, ya que permea todo su edificio conceptual: la relatividad, la gravitación, la cuántica y la termodinámica. Algunos postulan que su resolución podría abrir las puertas a una nueva revolución en Física, al descubrimiento de los principios fundamentales de la gravedad cuántica. Por el momento sólo podemos medir la magnitud de la constante cosmológica y compararla con las predicciones que la teoría cuántica hace sobre el valor de la energía del vacío. Cuando se hace esto, resulta un valor 120 órdenes de magnitud mayor que lo observado. Una diferencia tan grande entre predicción y observación es completamente inédita en Física, donde estamos acostumbrados a predicciones que concuerdan con el experimento con 14 cifras decimales —como por ejemplo con el factor giromagnético del electrón—. A esto se le conoce como el problema de la constante cosmológica. Algo está claramente mal en nuestra teoría de la energía oscura, el éter moderno. Lo malo es que no sabemos qué es lo que está tan mal. Desde el punto de vista observacional estamos mejorando espectacularmente nuestras medidas cosmológicas de dicha energía de vacío. Hoy en día podemos medir su contribución a la densidad de materia/energía del universo con una precisión de unos pocos por cien, y sin embargo desconocemos totalmente su naturaleza.

En cierto modo, el Higgs contribuye también al problema de la energía oscura. En la moderna teoría cuántica de campos, el Higgs es un hipotético agente que dota de masa a las partículas elementales. Se trata de un campo escalar fundamental que toma un cierto valor esperado en el vacío, es decir en ausencia de partículas, de manera que cuando éstas interaccionan con él, se comportan como si tuvieran masa, esto es inercia. Desde luego que tal como se describe tiene toda la pinta de ser algo muy parecido al denostado éter aristotélico. ¿Pero no habíamos quedado en que el éter había sido descartado por los experimentos de Michelson y Morley a finales de s. XIX? Efectivamente, pero éste es un éter relativista, no es posible medir la velocidad de un observador —o de una partícula— respecto al vacío de la teoría cuántica de campos, pero sí su masa, es decir su inercia. Y el hecho de dotar de masa a todas las partículas con su valor de expectación hace que el campo de Higgs contribuya también a la energía del vacío, y además de una manera no despreciable, muchos órdenes de magnitud por encima del valor observado en cosmología. Si finalmente somos capaces con el acelerador LHC del CERN de excitar el vacío creando una partícula de Higgs que se desintegra como predice el modelo estándar de la física de partículas, entonces tendremos que aceptar el concepto moderno de éter relativista y afrontar de cara el problema de la constante cosmológica.

Si finalmente la energía de vacío —el moderno éter relativista— es real y se comporta exactamente como una constante cosmológica, entonces el futuro de nuestra región de universo será bastante anodino. Las galaxias lejanas que vemos se irán alejando progresivamente hasta que veamos sólo aquellas que están ligadas gravitacionalmente a nosotros, como Andrómeda o las nubes de Magallanes, que se acercarán y chocarán con la Vía Láctea. El resto será un universo cada vez más frío y más vacío de materia (diluido por la expansión), dominado tan sólo por una energía de vacío que continúa acelerando el universo. Pero quizás estamos completamente equivocados y en realidad la energía de vacío es un concepto transitorio —como el del éter aristotélico—, que por el momento usamos para describir nuestras observaciones, pero que eventualmente dará paso a una nueva revolución, cuando hayamos comprendido algo muy fundamental sobre el concepto de vacío en la física de partículas y su relación con la gravedad.