No se puede negar el tremendo poder predictivo de la teoría de la gravitación y la relatividad general de Albert Einstein de 1915; sin embargo, la teoría aún adolece de inconsistencias cuando se trata de calcular su efecto en grandes distancias. Una nueva investigación sugiere que estas discrepancias pueden ser el resultado de un «desequilibrio cósmico» en la gravedad misma.
En los 109 años transcurridos desde que se formuló por primera vez, la relatividad general sigue siendo la mejor descripción de la gravedad a escala galáctica; Los experimentos han confirmado repetidamente su exactitud. Esta teoría también se ha utilizado para predecir aspectos del universo que luego serían confirmados por la observación. Estos incluyen el Big Bang, la existencia de agujeros negros, las lentes gravitacionales de la luz y pequeñas ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.
Sin embargo, al igual que la teoría de la gravedad newtoniana que la superó, es posible que la relatividad general no nos brinde una imagen completa de esta misteriosa fuerza.
«Este modelo de gravedad ha sido esencial para todo, desde la teoría del Big Bang hasta la obtención de imágenes de agujeros negros», dijo en un comunicado Robin Wen, del Departamento de Física Matemática de la Universidad de Waterloo. «Pero cuando intentamos comprender la gravedad a nivel cósmico, a nivel de los cúmulos de galaxias y más allá, encontramos claras contradicciones con las predicciones de la relatividad general».
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«La gravedad se debilita aproximadamente un uno por ciento cuando se trata de distancias de miles de millones de años luz», dijo Wen. «Llamamos a esta discrepancia un 'fallo cósmico'. Es como si la gravedad misma hubiera dejado de coincidir por completo con la teoría de Einstein».
La perturbación cósmica descrita por el equipo requeriría un cambio en un valor llamado constante gravitacional. Este cambio se producirá a medida que los cálculos se acerquen al “hiperhorizonte”, o la distancia más lejana que la luz ha podido viajar desde que comenzó el universo.
El equipo dice que esta modificación se puede realizar agregando una extensión al modelo cosmológico estándar. Este modelo se conoce como modelo lambda de materia oscura fría. Una vez completada, la modificación debería eliminar las discrepancias en las mediciones a niveles cosmológicos sin afectar los usos exitosos actuales de la relatividad general.
¿Qué es la relatividad general y puede estar equivocada?
El descubrimiento de la relatividad general fue tan revolucionario porque, en lugar de describir la gravedad como una fuerza misteriosa, postuló que la gravedad surge de la curvatura del tejido del espacio y el tiempo, unidos como una sola entidad llamada «espacio-tiempo». Einstein se dio cuenta de que esta curvatura la forman objetos con masa.
Imagínese colocar bolas de masa creciente sobre una lámina de goma estirada. Una pelota de tenis haría una pequeña abolladura, casi imperceptible; Una pelota de cricket crearía una abolladura más notoria; La bola de boliche induciría una enorme curva que probablemente atraería hacia ella todo lo demás que había en la hoja. Es el mismo concepto con los objetos en el espacio, aunque la curvatura del espacio-tiempo existe en cuatro dimensiones, por lo que existen algunas diferencias clave. Sin embargo, las lunas tienen menos masa que los planetas, los planetas tienen menos masa que las estrellas y las estrellas tienen menos masa que las galaxias, por lo que los efectos gravitacionales de estos cuerpos celestes aumentan respectivamente.
La teoría de la gravitación de Einstein sirvió como sucesora de la de Newton, aunque esta última todavía funciona bien a escalas terrestres y es lo suficientemente precisa como para lanzar cohetes a la Luna. Sin embargo, la teoría de Einstein podría explicar cosas que la teoría de Newton no podía explicar, como la extraña órbita de Mercurio alrededor del Sol.
No fue exactamente Newton error En cuanto a la gravedad, no acertó en cuanto a las escalas de los planetas, estrellas y galaxias.
¿Pero está equivocada la relatividad general?
Bueno, tal vez no. Como teoría, era muy precisa al predecir aspectos del universo de los que no sabíamos nada. Por ejemplo, la primera imagen de un agujero negro tomada por el Telescopio Horizonte de Sucesos se reveló al público en abril de 2019. Esta imagen fue algo impactante por lo similar que era la apariencia del agujero negro supermasivo M87* a las predicciones de la relatividad general.
Sin embargo, los científicos se dan cuenta de que existen algunos problemas con la relatividad general que eventualmente pueden requerir revisión. Por ejemplo, la teoría no se combina con la mecánica cuántica; Nuestra mejor descripción de la física se encuentra en niveles fundamentales más pequeños que el átomo. Esto se debe principalmente a que actualmente no existe una teoría cuántica para describir la gravedad.
Por lo tanto, las modificaciones a la relatividad general en algún momento para «extender» su alcance a las escalas más pequeñas del universo (y según este equipo, a las escalas más grandes) parecen inevitables.
Durante décadas, los investigadores han intentado crear un modelo matemático que ayudaría a la relatividad general a superar sus contradicciones, y los matemáticos aplicados y astrofísicos de la Universidad de Waterloo han estado profundamente involucrados en este esfuerzo.
¿Cambiar la relatividad general? ¡Qué!
Si la idea de revisar la relatividad general suena a herejía, consideremos que esta no sería la primera vez que las teorías asociadas a ella deben modificarse.
Poco después de que Einstein presentara la teoría por primera vez, él y otros la ampliaron para desarrollar una ecuación para describir el estado del universo. Como resultado de la relatividad general, esta ecuación predijo que el universo debería cambiar. El problema con esto fue el consenso científico de la época de que el universo era estático. Aunque Einstein no era ajeno a transformar el status quo en un estado de cambio constante, coincidió con esta imagen cósmica inmutable.
Para garantizar la predicción de la relatividad general de un universo estático, Einstein añadió un «factor de corrección» que luego describió como «su mayor error»: esto se conoce como constante cosmológica, representada por la letra griega lambda. La constante desaparecería del pensamiento cuando Edwin Hubble convenció a Einstein de que el universo no era estático. Dijo que se está expandiendo. Hasta donde sabemos hoy, Hubble tenía razón.
Sin embargo, la lambda volverá. Comenzará a cumplir una función diferente a finales del siglo XX, cuando los astrónomos descubran que el universo no sólo se está expandiendo, sino que lo hace a un ritmo cada vez más acelerado.
«Hace casi un siglo, los astrónomos descubrieron que nuestro universo se estaba expandiendo», dijo en el comunicado Niayesh Afsharid, profesor de astrofísica en la Universidad de Waterloo e investigador del Ocean Institute. “Cuanto más lejos están las galaxias, más rápido se mueven, hasta el punto de que parecen moverse a una velocidad cercana a la de la luz, el máximo permitido por la teoría de Einstein. Nuestros hallazgos sugieren que, en esas mismas escalas, la teoría de Einstein también puede hacerlo. no será suficiente.»
La propuesta del equipo de la Universidad de Waterloo de un «fallo cósmico» que modula la gravedad a lo largo de grandes distancias amplía las fórmulas matemáticas de Einstein para abordar este problema sin «derribar» la teoría.
«Piense en ello como una nota a pie de página de la teoría de Einstein», dijo Wen. «Una vez que llegas al Reino Cósmico, se aplican los términos y condiciones».
Los investigadores detrás de esta teoría de la falla cósmica sugieren que futuras observaciones de la estructura a gran escala del universo y un campo de radiación «fósil» global llamado fondo cósmico de microondas (CMB) de un evento que ocurrió poco después del Big Bang podrían arrojar luz. sobre si los fallos cósmicos en Gravity son responsables de las actuales «tensiones cósmicas».
Esto podría incluir por qué la teoría cuántica da el valor de lambda, que es un sorprendente factor de 10¹²¹ (10 seguido de 120 ceros), que es mayor de lo que muestran las observaciones astronómicas (no es de extrañar que algunos físicos la llamen «la peor predicción teórica en la historia del universo»). ”). ¡Física!»).
«Este nuevo modelo puede ser sólo la primera pieza de evidencia en el rompecabezas cósmico que estamos comenzando a desentrañar en el espacio y el tiempo», concluyó Afshordi.
La investigación del equipo aparece en Revista de cosmología y física de astropartículas.
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