La teoría de la gravedad de Einstein (la relatividad general) ha tenido mucho éxito durante más de un siglo. Sin embargo, tiene deficiencias teóricas. Esto no es sorprendente: la teoría predice su propio fracaso en las singularidades del espacio-tiempo dentro de los agujeros negros y el propio Big Bang.
A diferencia de las teorías físicas que describen las otras tres fuerzas fundamentales de la física (la electromagnética y las interacciones nucleares fuerte y débil), la teoría general de la relatividad sólo ha sido probada en gravedad débil.
Las desviaciones de la gravedad respecto de la relatividad general no están excluidas ni comprobadas en ningún lugar del universo. Y, según los físicos teóricos, la desviación debe ocurrir.
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Según Einstein, nuestro universo se originó en un Big Bang. Otras singularidades se esconden dentro de los agujeros negros: el espacio y el tiempo dejan de tener significado allí, mientras que cantidades como la densidad de energía y la presión se vuelven infinitas. Estos señalan que la teoría de Einstein está fallando allí y debe ser reemplazada por una más fundamental.
Ingenuamente, las singularidades del espacio-tiempo deberían resolverse mediante la mecánica cuántica, que se aplica a escalas muy pequeñas.
La física cuántica se basa en dos ideas simples: las partículas puntuales no tienen sentido; y el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que nunca se puede conocer el valor de ciertos pares de cantidades con absoluta precisión (por ejemplo, la posición y la velocidad de una partícula). Esto se debe a que las partículas no deben considerarse como puntos sino como ondas; a pequeñas escalas se comportan como ondas de materia.
Esto es suficiente para comprender que una teoría que abarque tanto la relatividad general como la física cuántica debería estar libre de tales patologías. Sin embargo, todos los intentos de combinar la relatividad general y la física cuántica necesariamente introducen desviaciones de la teoría de Einstein.
Por tanto, la gravedad de Einstein no puede ser la teoría definitiva de la gravedad. De hecho, no pasó mucho tiempo después de que Einstein introdujera la relatividad general en 1915 cuando Arthur Eddington, mejor conocido por verificar esta teoría en el eclipse solar de 1919, comenzó a buscar alternativas sólo para ver en qué podían ser diferentes las cosas.
La teoría de Einstein ha sobrevivido a todas las pruebas hasta la fecha, prediciendo con precisión diversos resultados, desde la precesión de la órbita de Mercurio hasta la existencia de ondas gravitacionales. Entonces, ¿dónde se esconden estas desviaciones de la relatividad general?
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Un siglo de investigación nos ha proporcionado el modelo estándar de cosmología conocido como modelo Λ-Materia Oscura Fría (ΛCDM). Aquí, Λ representa la famosa constante cosmológica de Einstein o una misteriosa energía oscura con propiedades similares.
La energía oscura fue introducida ad hoc por los astrónomos para explicar la aceleración de la expansión cósmica. A pesar de ajustar muy bien los datos cosmológicos hasta hace poco, el modelo ΛCDM es espectacularmente incompleto e insatisfactorio desde el punto de vista teórico.
En los últimos cinco años, también se ha enfrentado a graves tensiones de observación . La constante de Hubble, que determina la edad y la escala de distancias en el universo, se puede medir en el universo temprano utilizando el fondo cósmico de microondas y en el universo tardío usando supernovas como velas estándar.
Estas dos mediciones dan resultados incompatibles. Aún más importante, la naturaleza de los ingredientes principales del modelo ΛCDM (energía oscura, materia oscura) y el campo que impulsa la inflación temprana del universo (un período muy breve de expansión extremadamente rápida que origina las semillas de galaxias y cúmulos de galaxias) sigue siendo un misterio.
Desde el punto de vista de la observación, la motivación más convincente para la gravedad modificada es la aceleración del universo descubierta en 1998 con supernovas de tipo Ia, cuya luminosidad se ve atenuada por esta aceleración. El modelo ΛCDM basado en la relatividad general postula una energía oscura extremadamente exótica con una presión negativa que impregna el universo.
El problema es que esta energía oscura no tiene justificación física. Su naturaleza es completamente desconocida, aunque se han propuesto multitud de modelos. La alternativa propuesta a la energía oscura es una constante cosmológica Λ que, según cálculos preliminares (pero cuestionables) de la mecánica cuántica, debería ser enorme.
Sin embargo, Λ debe ajustarse increíblemente a un valor pequeño para que se ajuste a las observaciones cosmológicas. Si la energía oscura existe, nuestra ignorancia de su naturaleza es profundamente preocupante.
Alternativas a la teoría de Einstein
¿Podría ser que los problemas surjan, en cambio, de intentar encajar erróneamente las observaciones cosmológicas en la relatividad general, como poner a una persona un par de pantalones demasiado pequeños? ¿Que estamos observando las primeras desviaciones de la relatividad general mientras la misteriosa energía oscura simplemente no existe?
Esta idea, propuesta por primera vez por investigadores de la Universidad de Nápoles, ha ganado una enorme popularidad mientras el campo contendiente de la energía oscura sigue siendo vigoroso.
¿Cómo podemos saberlo? Las desviaciones de la gravedad de Einstein están limitadas por los experimentos del sistema solar, las recientes observaciones de ondas gravitacionales y las imágenes de agujeros negros en el horizonte cercano.
Actualmente existe una gran cantidad de literatura sobre teorías de la gravedad alternativas a la relatividad general, que se remonta a las primeras investigaciones de Eddington en 1923. Una clase de alternativas muy popular es la llamada gravedad tensorial escalar. Es conceptualmente muy simple ya que sólo introduce un ingrediente adicional (un campo escalar correspondiente a la partícula más simple, sin espín) a la descripción geométrica de la gravedad de Einstein.
Las consecuencias de este programa, sin embargo, están lejos de ser triviales. Un fenómeno sorprendente es el «efecto camaleón«, que consiste en el hecho de que estas teorías pueden disfrazarse de relatividad general en entornos de alta densidad (como en las estrellas o en el sistema solar) y desviarse fuertemente de ella en entornos de baja densidad de cosmología.
Como resultado, el campo extra (gravitacional) está efectivamente ausente en el primer tipo de sistemas, disfrazándose como un camaleón, y se siente sólo en las escalas más grandes (cosmológicas).
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Hoy en día, el espectro de alternativas a la gravedad de Einstein se ha ampliado espectacularmente. Incluso añadir una única excitación escalar masiva (es decir, una partícula de espín cero) a la gravedad de Einstein (y mantener las ecuaciones resultantes “simples” para evitar algunas inestabilidades fatales conocidas) ha dado como resultado una clase mucho más amplia de teorías de Horndeski y generalizaciones posteriores.
Los teóricos han pasado la última década extrayendo consecuencias físicas de estas teorías. Las recientes detecciones de ondas gravitacionales han proporcionado una manera de limitar la clase física de modificaciones permitidas por la gravedad de Einstein.
Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer, con la esperanza de que futuros avances en la astronomía de múltiples mensajeros conduzcan al descubrimiento de modificaciones de la relatividad general en las que la gravedad es extremadamente fuerte.
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