La energía oscura no puede ser ni una partícula ni un campo.

Todo lo demás en el universo es una partícula o un campo. La energía oscura no se comporta ni como partícula ni como campo, y podría ser una propiedad inherente al espacio mismo.

Ethan Siegel para Big Think

¿Qué es, en un nivel fundamental, lo que constituye el universo? Cuando hacemos esta pregunta, normalmente pensamos en comenzar con cosas que observamos directamente, como estrellas, planetas, humanos, gas, polvo, plasma y otras formas de la materia que conocemos, y dividirlas hasta llegar a algo que es indivisible. Aunque originalmente pensamos que los átomos serían estas cosas “imposibles de cortar”, pronto descubrimos que podían dividirse aún más: en electrones y núcleos atómicos, que a su vez están compuestos de quarks y gluones.

A medida que dominamos las leyes de la física y comenzamos a manipular estas partículas subatómicas, obtuvimos la capacidad de acelerarlas y chocarlas, lo que permitió la creación de una gran cantidad de partículas y antipartículas: todo lo que describe el Modelo estándar de física de partículas. Y, sin embargo, si sumamos todas estas formas de materia, incluidos los fotones, los neutrinos y todo lo que no forma átomos, nos quedamos muy cortos en cuanto a lo que se necesita para describir nuestro universo. Son necesarios dos componentes adicionales: materia oscura y energía oscura. Además, aunque esperamos que haya una partícula responsable de la materia oscura, ese no es el caso en absoluto de la energía oscura. Este es el por qué.

Las partículas, al menos como las conocemos, tienen algunas cosas en común. Tienen un conjunto de “números cuánticos” o propiedades inherentes a ellos que determinan sus masas, espines y diversas cargas. Todas las partículas del mismo tipo (electrones, quarks descendentes, bosones Z, etc.) tienen propiedades idénticas entre sí, y se podría reemplazar cualquiera de ellas con cualquier otra partícula idéntica y todo permanecería igual. Las únicas cosas que difieren entre ellos son aleatorias, como su vida útil de descomposición (si son inestables), o situacionales: cosas como su momento, momento angular orbital o niveles de energía dentro de un sistema limitado.

Astrofísicamente hablando, cuando examinamos el universo en todas las diferentes formas que conocemos, revela una variedad de aspectos de la historia cósmica. Al observar cuán abundantes son los elementos más ligeros y sus isótopos, podemos determinar cuánta materia normal, total, constituye nuestro universo. Al medir cómo las galaxias se agrupan, así como su distribución a gran escala y sus propiedades internas individuales, podemos determinar cuánta “materia” total hay que se comporta como si estuviera hecha de partículas masivas. Y cuando miramos los detalles incrustados en el resplandor sobrante del Big Bang, el fondo cósmico de microondas, nos dice que el universo es espacialmente plano, lo que nos dice cuánta “materia” total está presente en el universo, en general.

A partir de esta información, aprendemos que todo el material normal del Modelo Estándar en nuestro universo representa solo el 5 por ciento del total. Otro ~ 27 por ciento es materia oscura, que no se comporta como ninguna de las partículas conocidas. Se aglutina y gravita como la materia normal, pero parece tener una sección transversal cero, es decir, no choca, con la materia normal, la luz u otras partículas de materia oscura. Aunque solo podemos detectar la presencia de materia oscura a través de su influencia gravitacional, es evidente que la materia oscura se distribuye de manera mucho más difusa que la materia normal; no es tan grumoso, particularmente en pequeñas escalas cósmicas. Desafortunadamente, todos los intentos de detección directa no han logrado producir una señal positiva sólida. Su verdadera naturaleza sigue siendo misteriosa.

Sin embargo, incluso con la materia normal y la materia oscura combinadas, no nos hemos acercado a encontrarlo todo. El ~ 68 por ciento restante del universo no se tiene en cuenta, y nuestra gran pista sobre qué es esa “materia” llegó por primera vez en la década de 1990, cuando las observaciones de supernovas distantes parecían más débiles de lo que predecían nuestros modelos del universo. Era como si algo más de lo que esperábamos, varias formas de materia y radiación, estuviera contribuyendo al universo. A medida que llegaba la evidencia, reforzada por el fondo cósmico de microondas y los datos agrupados a gran escala, nos dimos cuenta de que una forma de energía completamente nueva, inconsistente con las propiedades de cualquier forma de materia o radiación, debía estar presente: lo que hoy llamamos energía oscura.

Lo notable de la evidencia de la energía oscura es lo perfectamente uniforme que es. No hay evidencia de que haya más o menos energía oscura en el espacio ocupado por ricos cúmulos de galaxias que en los espacios vacíos. No hay evidencia de que la energía oscura se correlacione con la densidad, dirección, ubicación o época del universo. Parece ser perfectamente uniforme, perfectamente homogéneo y perfectamente constante: inmutable en el espacio y el tiempo. Y, sin embargo, a pesar de su simplicidad, se comporta de manera fundamentalmente diferente a todas las demás formas de energía conocidas.

Cada forma de materia y radiación en el universo está vinculada a partículas cuánticas. La materia normal está formada por partículas subatómicas: partículas de las cuales hay un número finito. A medida que el universo se expande, el número de partículas permanece igual mientras aumenta el volumen, por lo que la materia se vuelve menos densa a medida que avanza el tiempo. De manera similar, la radiación también se cuantifica en partículas (incluso, teóricamente, radiación gravitacional, que debería cuantificarse en gravitones), pero estas partículas no tienen masa. A medida que el universo se expande, no solo el número de partículas permanece igual mientras aumenta el volumen, sino que la energía de cada partícula individual disminuye a medida que el universo se expande.

Aún así, ambas descripciones se desmoronan para la energía oscura. A medida que aumenta el volumen del universo, a medida que se expande, la densidad de energía no cambia; permanece constante. Es como si hubiera algo presente en todo el espacio que no depende de nada más: densidad de materia, densidad de radiación, temperatura, cambios de volumen, etc. Aunque podemos medir y cuantificar sus efectos en el universo, no podemos decir que entendamos la naturaleza de la energía oscura. Podría ser:

Una partícula de algún tipo,

un campo que impregna el universo,

o incluso una propiedad inherente al tejido del espacio mismo.

Por supuesto, cada uno de estos escenarios conduce a una concepción muy diferente del universo y lo que está presente en él. Si la energía oscura es una partícula, entonces se deben crear constantemente nuevas partículas para mantener constante la densidad de energía, o el comportamiento de estas partículas debe evolucionar con el tiempo para mantener constantes sus efectos en el universo. Si la energía oscura es un campo que impregna el universo, entonces se le permite evolucionar en el espacio o en el tiempo o en ambos, y cualquier evidencia observada (no tenemos ninguna) de tal variación apuntaría en esta dirección; los modelos de quintaesencia entran en esta categoría.

Pero si seguimos las observaciones, no hay evidencia de que la energía oscura sea otra cosa que la entidad más básica imaginable: una propiedad que es uniformemente inherente al espacio en todas partes y en todo momento. Esto puede suceder muy fácilmente de dos formas diferentes:

El universo puede poseer una constante cosmológica positiva distinta de cero, un término perfectamente admisible en la relatividad general. Tiene que ser muy, muy pequeño, pero cuando lo pones en todas partes del universo, fialmente llega a dominar.

Podría ser una propiedad cuántica del espacio: no se requiere que la energía del punto cero de todos los campos en el vacío del espacio sea cero, pero podría tomar algún valor positivo distinto de cero. Lo que a menudo interpretamos como fluctuaciones cuánticas, o pares de partículas y antipartículas que aparecen y desaparecen, podría ser la causa de la energía oscura.

Desde una perspectiva teórica, es importante tener en cuenta que hasta que entendamos la naturaleza de la energía oscura, es decir, que adquiera algún tipo de evidencia que apunte hacia una posibilidad sobre otra, tenemos que mantener todas estas opciones en mente. La energía oscura podría estar vinculada a la época inflacionaria que se inició y dio lugar al Big Bang; la energía oscura podría haber sido importante e impactante al principio de la historia del universo antes de decaer a su estado actual de baja densidad; La energía oscura podría evolucionar lentamente o ser no homogénea, o podría tener una densidad ligeramente mayor o menor dependiendo de lo que haya alrededor. En teoría, todas las opciones quedan sobre la mesa.

Pero esa es también la razón por la que no basamos nuestras conclusiones únicamente en la teoría. Toda la idea de la ciencia se basa en la noción de que la forma en que obtenemos información sobre el universo es poniendo a prueba al universo mismo: a través de la medición, la experimentación y la observación. Mientras estudiamos:

-el fondo cósmico de microondas hasta escalas cada vez más pequeñas, en bandas de más longitud de onda y con polarización incluida;

-la estructura a gran escala del universo a mayores distancias, objetos más débiles y áreas más grandes en el cielo;

-y objetos luminosos individualmente, con mayor precisión y mayores distancias, obtenemos la capacidad de ver si hay alguna indicación de que la energía oscura es algo más que una constante pura, y si muestra evidencia de alguna evolución o falta de homogeneidad en el tiempo y/o el espacio.

Recientemente, el experimento XENON afirmó ver un exceso de eventos sobre el trasfondo anticipado, más allá de lo que las fuentes convencionales podrían explicar. En la actualidad hay tres interpretaciones principales sobre la mesa:

-el resultado es una casualidad experimental que desaparecerá con mejores estadísticas, lo cual está dentro del ámbito de lo posible;

-que esta es nuestra primera evidencia de un tipo inesperado de materia oscura, cuyas explicaciones requerirían contorsiones adicionales sobre lo que se teorizó previamente; o

-una nueva fuente de antecedentes que no se ha incluido en el análisis (como el tritio en el agua) lo está causando.

De estas explicaciones, la mayoría de los físicos favorecen la última. Pero, como dijimos anteriormente, todas las posibilidades, por exóticas o extrañas que sean, deben tenerse en cuenta.

SONDAS: A los astrofísicos y a los biólogos les ha tocado roer el hueso más duro –el origen. Tienen que explicarnos cómo de la nada, de la no-existencia, ha surgido este Universo. Si viajamos hacia atrás en el tiempo, nos dicen, nos encontraremos con ese origen en forma de una partícula, de una singularidad, que se expandió hasta conformar este organizado Cosmos, en el que cada partícula, cada astro, cada estrella, parece estar en su sitio o, al menos, en el sitio más adecuado. Pero si hacemos caso a nuestra experiencia diaria, veremos que lo más importante sigue sin tener explicación.

Si arrojamos un vaso al suelo, éste se hará añicos. Y si ahora recogemos estos minúsculos trocitos y los arrojamos al suelo, no formarán un vaso, sino que se esparcirán por el suelo sin ningún tipo de orden ni patrón. Por lo tanto, el Universo no pude originarse de una singularidad que podía contener, comprimidos, átomos, neutrones y un sinfín de partículas.

Por otra parte, el autor del artículo afirma que no se puede descartar ninguna teoría por estrafalaria que resulte, mientras no se tenga una clara evidencia de que hay una nueva teoría que parece ser la correcta. Sin embargo, se excluye la más lógica y coherente de todas. Si algo tiene una función específica, significa que ha sido diseñado y originado por una entidad superior. Si observamos una máquina offset de impresión, veremos que todos sus elementos son piezas de plástico o de metal, inertes, que realizan, sin embargo, funciones altamente complicadas. Por ello, nadie aceptaría la hipótesis de que esas piezas se han ido juntando al azar hasta conformar una máquina capaz de llevar a cabo complicadas tareas.

No sabemos cómo funciona su universo, el de los científicos, pero el nuestro, el que observamos cada día y del que extraemos grandes beneficios, se compone de elementos inertes, muertos, pero que cumplen complicadísimas funciones. El Sol y la Luna son medios para el cómputo del tiempo, de los meses, de las estaciones; marcan cuándo comienza el día y cuándo la noche. Las estrellas nos guían cuando la oscuridad nos impide nacernos una clara imagen de dónde está el Norte, el Sur, el Este y el Oeste; en qué parte de la torta terráquea nos encontramos. Hay un diseño perfecto, inconmensurable.

Llevamos en la muñeca un sofisticado reloj de pulsera que nos marca las horas, que funciona, además, como brújula y como calendario –lo mismo que los astros del cielo, lo mismo que el Sol, la Luna y las estrellas. Solo que a ese reloj le damos un creador, un experto relojero que lo ha diseñado y lo ha fabricado. Mas nuestro Universo surgió sin que una voluntad lo diseñara y lo llevase a la existencia con un plan bien determinado.

Y es aquí donde los biólogos se dan de bruces contra el origen. Producen teorías, como los astrofísicos, que ellos mismos refutan por inverosímiles. Mas nada puede perturbar sus serenas investigaciones, pues antes de meterse en camisa de once baras ofrecieron al mundo el concepto de ciencia como poseedora de la verdad, aunque no pasen más de 10 meses sin que esa verdad quede expuesta a la más horrenda desnudez. No dejamos de oír aseveraciones del tipo “tendremos que reescribir la historia y la cronología de la especie humana”, “tendremos que repensar de nuevo las leyes de la física”, “nuevos descubrimientos obligan a los genetistas a plantearse de nuevo el funcionamiento del ADN”. Digamos que de sabios es rectificar, pero en algún momento tendremos que llegar a algún puerto. No podemos estar siempre navegando a la deriva.

Cuando Copérnico, Galileo, Einstein… observaban el Universo y concluían lo que concluyeron, no sabían que lo que observaban era solo un 5 por cien de la materia que conforma el Universo. Sin embargo, siempre les han cuadrado sus teorías, sus ecuaciones, sus teoremas, sus fórmulas. Les ha bastado el 5 por cien para afirmar que tenían en la mano derecha la comprensión del Universo, de la existencia. Pero eso que tenían en la mano derecha les ha explotado y ahora, con una humildad postiza, vuelven al socorrido Sócrates y a su “solo sé que no sé nada”.

Pero ¿y si éste, ese, aquél sí supiesen algo? Si todo en el Universo observable tiene una complicadísima función que beneficia al hombre ¿por qué la teoría más lógica y coherente no debería ser la de que este Universo, la existencia, ha sido diseñado, creado y sostenido por una Entidad Superior a todo lo que conocemos, a todo lo que imaginamos? ¿No sería esta Entidad la que habría también originado la vida, obligando a ciertos elementos de la materia a adquirir vida, a adquirir consciencia e inteligencia?

Pero entonces ¿a qué se dedicaría Ethan Siegel? ¿Qué haría con su vida, con su tiempo?