¿Podrían los modelos de gravedad cuántica que surgen de la holografía explicar la aceleración cosmológica?

22 de junio de 2023 función

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por Ingrid Fadelli , Phys.org

Los físicos teóricos llevan mucho tiempo intentando idear una teoría completa de la gravedad que también explique los fenómenos de la mecánica cuántica, como no lo hacen los modelos existentes. Dicha teoría podría explicar colectivamente muchos fenómenos físicos y cosmológicos intrincados observados en las últimas décadas. 

Investigadores de la Universidad de Maryland y la Universidad de Columbia Británica llevaron a cabo recientemente un estudio teórico que explora la posibilidad de que la holografía, un enfoque de la gravedad cuántica que incluye algunas características de los hologramas convencionales, podría utilizarse para describir los fenómenos mecánicos cuánticos. Su documento, publicado en Physical Review Letters, presenta un argumento teórico que podría sugerir un vínculo entre los fenómenos cosmológicos observables y la física que sustentaría los espacios de gusanos espaciotemporales.

'Elaborar una teoría de la gravedad que incluya la física de la mecánica cuántica ha sido un frente de avance importante en la física teórica durante décadas', dijo Mark Van Raamsdonk, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. 'Esto es necesario para realmente comprender la física de los agujeros negros y el Big Bang, y para avanzar hacia una teoría unificada completamente unificada de la física.

'Ahora tenemos modelos plenamente consistentes de la gravedad cuántica a través de un enfoque llamado holografía, donde la física gravitacional se codifica en un sistema cuántico no gravitacional más simple y de menor dimensión. Las teorías gravitacionales holográficas nos han enseñado mucho sobre la física de los agujeros negros e incluso sobre la naturaleza fundamental del espaciotiempo, pero hasta ahora, no ha habido mucho progreso en la comprensión de espaciotiempos cosmológicos realistas con un Big Bang.'

El objetivo clave del trabajo reciente de Van Raamsdonk y sus colegas era describir la física de los espaciotiempos cosmológicos mediante un enfoque holográfico. Los espaciotiempos esencialmente implican la combinación de las tres dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo en una sola variedad de cuatro dimensiones, que subyace a fenómenos como el Big Bang y las expansiones cósmicas.

'Argumentamos que estos modelos también pueden explicar el hecho de que la expansión de nuestro universo se está acelerando, pero de una manera diferente a la que se supone habitualmente', dijo Van Raamsdonk. 'La explicación más convencional, en lo que se llama el modelo Lambda-CDM (materia oscura fría), es que tenemos un 'cosmological constant' positivo, un tipo de energía oscura que siempre tiene la misma densidad en todo el universo. Argumentamos que los modelos holográficos también pueden explicar naturalmente la aceleración cósmica, pero lo hacen a través de una energía oscura cuya densidad cambia con el tiempo.'

Los modelos holográficos sugieren que en algún momento la densidad de la energía oscura disminuye por debajo de cero, alcanzando un valor negativo. Esto podría provocar una desaceleración y el eventual recolapso del universo, lo que a veces se conoce como un 'gran crujido'. Van Raamsdonk y sus colegas proponen así que estos modelos puedan ofrecer una perspectiva diferente sobre la aceleración cosmológica.

'Observamos que los modelos de gravedad cuántica que surgen de la holografía pueden explicar naturalmente la aceleración cosmológica de una manera novedosa, con una energía oscura cambiente que eventualmente se vuelve negativa', dijo Van Raamsdonk. 'No sabemos con certeza si nuestro universo funciona de esta manera, pero es algo que podemos buscar en observaciones cosmológicas.'

El trabajo reciente de este equipo de investigadores ofrece una nueva perspectiva que podría contribuir a la comprensión teórica de los problemas cosmológicos que siguen sin resolverse. Van Raamsdonk y sus colegas ya han realizado investigaciones adicionales comparando sus predicciones con las observaciones cosmológicas disponibles.

'Hemos comparado las predicciones de nuestra clase de modelos (la disminución de la energía oscura) con lo que vemos en las observaciones directas de la expansión del universo, para ver si estos parecen consistentes', agregó Van Raamsdonk. 'Con mi estudiante Chris Waddell, analizamos los datos de brillo frente al corrimiento al rojo más recientes para las supernovas de tipo IA. Estas observaciones pueden decirnos cuantitativamente cómo se veía la expansión del universo en los últimos seis o siete mil millones de años. Si bien los datos no nos dicen de manera definitiva si la energía oscura está disminuyendo o no, encontramos que la mayoría de los modelos que se ajustan aceptablemente a los datos tienen una energía oscura decreciente en la actualidad'.

In their next studies, the researchers would also like to better understand what the class of models they devised would predict regarding the physics of the cosmic microwave background and the distribution of galaxies in the universe. This would then allow them to compare these predictions to recent observations.

Journal information: Physical Review Letters

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