La expansión del universo podría originarse en otras dimensiones

La misteriosa energía oscura, que acelera la expansión del universo, podría estar escondida en las dimensiones ocultas del espacio, según una nueva teoría física elaborada por Brian Greene y Janna Levin, de la Columbia University de New York.

La teoría ha sido explicada en un interesante artículo de la revista Newscientist Space, y los autores han publicado un artículo más extenso en Arxiv, el repositorio online de acceso abierto y gratuito de artículos de física, a la espera de publicarlo en una revista especializada.

La energía oscura es una forma hipotética de energía que inunda todo el espacio y que produce una presión negativa, convirtiéndose en una fuerza gravitacional repulsiva, supuesto origen de la expansión acelerada del universo.

La propuesta de ambos físicos señala que la energía oscura está oculta en las dimensiones imperceptibles del universo y explica por qué estas dimensiones ocultas no pueden ser percibidas directamente, una cuestión muy importante de la Teoría de Cuerdas.

La Teoría de Cuerdas es un modelo fundamental de la física que afirma que todos los bloques de materia son en realidad expresiones de un objeto básico unidimensional extendido llamado «cuerda». El universo surge cuando una cuerda vibra en relación a las otras.

La teoría de cuerdas está fundamentada en 11 dimensiones y establece que, debido a que las dimensiones adicionales se enroscaron sobre sí mismas a escalas microscópicas durante el nacimiento del Universo, no pueden ser percibidas directamente con nuestros sentidos. Además, considera la teoría de cuerdas, son dimensiones muy inestables.

La existencia de dimensiones adicionales en el universo fue detectada recientemente por otro grupo de científicos, tal como informamos en otro artículo: utilizando geometrías matemáticas simples, estos científicos han podido reconstruir un mapa de energía alternativo de los momentos primigenios del universo, en el que se aprecian indicios de al menos otras siete dimensiones. De esta forma, las dimensiones extra sobre las que ha teorizado la teoría de cuerdas habrían sido observadas gracias a un metafórico viaje al instante posterior al Big Bang.

Alejamiento de galaxias

La nueva teoría aporta asimismo una explicación a la expansión del universo. A mediados de los años 90, los astrónomos descubrieron que las otras galaxias se alejan de la nuestra acelerándose. Más adelante, los físicos han atribuido esa expansión a la así llamada energía del vacío o a la constante cosmológica.

La energía del vacío es una energía de fondo existente en el espacio incluso en ausencia de todo tipo de materia y está relacionada con la aparente aceleración actual de la expansión del Universo. Algunos astrofísicos piensan que la energía del vacío podría ser responsable de la energía oscura del universo, asociada a la fuerza de gravedad repulsiva que contribuye a la expansión del Universo.

La constante cosmológica ha sido otra de las hipótesis de la expansión del universo. Es un parámetro establecido por Einstein en sus ecuaciones de la relatividad general que, aunque quedó en entredicho cuando se descubrió que el universo estaba en expansión, ha vuelto a ser considerado al analizar la energía del vacío, la teoría cuántica de campos o la aceleración del universo.

La actual hipótesis de los científicos para explicar la expansión del universo se basa en las vibraciones cuánticas del vacío espacial. El espacio está lleno de campos gravitacionales y electromagnéticos que vibran como campos cuánticos. Esta energía de las vibraciones cuánticas sería la que produciría la fuerza de gravitación repulsiva que aleja a las galaxias.

Sin embargo, los cálculos realizados hasta la fecha sobre la densidad de esas vibraciones cuánticas del vacío espacial cuestionan las ecuaciones de la Teoría Cuántica de campos, por lo que explicación clásica de la expansión del universo no está consolidada.

Dimensiones ocultas, pero próximas…

Este dilema se resuelve con la nueva teoría, que considera que las vibraciones cuánticas del vacío espacial no están limitadas a un espacio único. Brian Greene y Janna Levin consideran al respecto que las vibraciones cuánticas del vacío espacial son vibraciones de campos de fuerza cuánticos y fluctuantes producidos por un conjunto de dimensiones perpendiculares a nuestras tres dimensiones conocidas.

Aunque la vibración cuántica esté atrapada en estas otras dimensiones adicionales, podría extender su influencia gravitacional en nuestro espacio, afirman estos científicos. La fuerza de gravitación obtenida de esas dimensiones adicionales es repulsiva, provocando la aceleración cósmica que provoca el alejamiento de las galaxias.

Greene y Levin calculan que las dimensiones adicionales deberían ser al menos del orden del 0,01 milímetros para provocar la aceleración observada por los astrónomos. La energía oscura alojada en esas dimensiones adicionales se ocultaría así sólo a algunas micras de nosotros (un micrón o micra es la unidad de longitud equivalente a la millonésima parte de un metro).

Hasta ahora, ambos autores sólo han esbozado su teoría, pero ya se puede utilizar para resolver otro problema, todavía más complicado. La Teoría de Cuerdas, que pretende la unificación de las cuatro fuerzas del universo, necesita siete dimensiones adicionales minúsculas, enroscadas sobre sí mismas, que son muy inestables.

… y estables

La nueva teoría atribuye a estas dimensiones adicionales un comportamiento estable. El equilibrio preciso de los campos de fuerza cuánticos actuaría como un resorte tenso en las dimensiones suplementarias, manteniéndolas a un cierto tamaño estimado en 10 micras.

Como quiera que la nueva teoría sólo funciona en el marco de una cosmología de branas, que describe a nuestro universo como una especie de membrana flotante en un espacio de dimensión superior, la mayoría de las partículas y de los campos que lo integran están unidos a esta brana, lo que explica por qué estas dimensiones adicionales no pueden ser percibidas, ni siquiera orientarnos en su dirección, explican Greene y Levin.

En la versión básica de las branas, la única fuerza susceptible de pasar a través de una brana, ese objeto extenso, dinámico que posee una energía en forma de tensión respecto a su volumen de universo, es la gravitación.

Campos supuestos, neutrinos estériles

Pero las vibraciones asociadas al campo gravitacional no poseen las propiedades requeridas por la teoría de Greene y Levin, por lo que ambos autores han añadido un campo suplementario y fijado su intensidad para obtener un valor repulsivo coherente. Para alcanzar esta coherencia, señala Levin a Newscientist, “hemos fabricado un modelo reducido con campos supuestos”.

Otro arreglo a la teoría de ambos autores es que el campo que describen no puede proceder de neutrinos normales, ya que, como las demás partículas, están íntimamente ligados a nuestra brana. Por ello proponen la existencia de un neutrino estéril en las dimensiones adicionales, cuya presencia sería detectada en nuestro espacio en forma de energía oscura.

Una pista a seguir

La teoría de Greene y Levin, explica Newscientist, implica que la gravitación se hace más intensa a menos distancia, y adquiere el tamaño de las dimensiones suplementarias o adicionales. De momento se trata de la única pista disponible para validar la teoría.

Ya hay una prueba experimental de esta reacción de la gravitación, de la que ha informado Scientific American: en la universidad de Washington en Seattle, se ha medido la fuerza gravitacional a corta distancia y se han descartado dimensiones suplementarias adicionales mayores de 0,1 milímetros. Si existen esas dimensiones adicionales, deben medir menos de 44 micrómetros (0.044 milímetros), aseguran estos investigadores en un artículo publicado en Physical Review Letters.

Los científicos de esta universidad pretenden realizar nuevos experimentos para medir la gravitación en distancias todavía más cortas. Si en estos experimentos se pudiera comprobar un aumento de la gravitación por debajo de 0,01 milímetros, podríamos comprobar que la teoría de Greene y Levin es correcta y que la fuerza que provoca la expansión de nuestro universo viene de otra dimensión, concluye Newscientist Space.