Un estudio teórico prevé el “despertar” del vacío con efectos macroscópicos

El modelo, postulado por brasileños en 2010, ha pasado por sucesivos perfeccionamientos y podrá ayudar a elaborar una explicación para la “energía oscura”

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – Para los físicos, el vacío es muy distinto a aquél concebido desde el sentido común. El espacio vacío posee una estructura y exhibe una intensa actividad, bajo la forma de fluctuaciones cuánticas, que se explicitan a través de la producción y del aniquilamiento de partículas virtuales. Tal concepción, que es el resultado directo de la teoría cuántica, es bastante familiar para los científicos del área. Y una de las consecuencias de las fluctuaciones del vacío, el efecto Casimir, ya fue incluso observada y medida en laboratorio.

La novedad consiste ahora en que existe una posibilidad teórica de que esas fluctuaciones, antes consideradas muy pequeñas como para ejercer algún efecto macroscópico, pueden amplificarse a punto tal de que su energía exceda a la energía de los cuerpos materiales y produzca resultados tales como la destrucción de una estrella, por ejemplo.

Este descubrimiento, realizado desde un abordaje puramente matemático de la teoría y todavía sin comprobación observacional, es uno de los principales saldos de un proyecto temático recientemente concluido, intitulado “La física en espacios-tiempos curvos”, coordinado por George Emanuel Avraam Matsas, profesor titular del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp), que contó con el apoyo de la FAPESP.

“Exactamente a mitad del período de vigencia del proyecto, en 2010, Daniel Augusto Turolla Vanzella, profesor doctor del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), y William Couto Corrêa de Lima, en ese entonces su alumno de doctorado, descubrieron que, de existir un cierto tipo de campos cuánticos, la densidad de la energía de vacío de esos campos crecerá exponencialmente alrededor de un cuerpo material muy denso”, declaró Matsas a Agência FAPESP.

El trabajo de Turolla Vanzella y de Couto Corrêa de Lima salió publicado en Physical Review Letters con el título de Gravity-Induced Vacuum Dominance, y estableció las bases de este proceso de manera tan general que tornaba posible la aplicación de dicho conocimiento en diversas áreas de investigación científica, tales como la cosmología, la astrofísica, etc.

“Posteriormente, yo me uní a ellos para aplicar este efecto en el caso particular de un campo gravitacional creado por una estrella de neutrones. Esto nos permitió entender el fenómeno con mayor claridad”, añadió Matsas. Enseguida después salió publicado un nuevo artículo, intitulado Awaking the Vacuum in Relativistic Stars, en esta oportunidad firmado por Couto Corrêa Lima, Matsas y Turolla Vanzella, en la revista Physical Review Letters.

Estrellas de neutrones

Se conocen actualmente alrededor de 2 mil estrellas de neutrones en la Vía Láctea (la galaxia de la cual forma parte el Sistema Solar) y en las Nubes de Magallanes (que son dos galaxias cercanas). Son objetos extremadamente densos, con masas superiores a una vez y media la masa solar, comprimidas en cuerpos esféricos con radios de tan sólo algunas decenas de kilómetros. Sus campos gravitacionales son tan intensos que curvan a menudo el espacio-tiempo en las regiones donde se encuentran, de acuerdo con la predicción de la teoría general de la relatividad. Ese curvado es lo que perturba el vacío cuántico y hace que la densidad de la energía de vacío aumente en forma exponencial.

“Se existiese el campo hipotético en el cual basamos nuestro modelo, cuando la estrella de neutrones se volviese lo suficientemente densa, las fluctuaciones del vacío crecerían tanto que, en poquísimo tiempo, habría más energía de vacío, punto por punto, que energía de la propia estrella. Y esa energía del vacío curvaría aún más el espacio-tiempo: en el límite, podría ocasionar la destrucción de la estrella”, afirmó Matsas.

¿Por qué la deformación del espacio-tiempo amplifica las fluctuaciones del vacío a punto tal que produzcan efectos macroscópicos e incluso catastróficos? “No contamos con una buena respuesta, ni creo que nadie la tenga”, respondió Turolla Vanzella. “De haber una manera intuitiva de entender este efecto, otras personas habrían anticipado su descubrimiento hace años. Cuando hacemos las cuentas, el efecto aparece. Fue un tratamiento estrictamente matemático de las ecuaciones lo que nos llevó a descubrir esta posibilidad teórica”, prosiguió.

El científico informó que el primer resultado matemático que apuntó dicho efecto apareció en un cálculo lateral efectuado en el marco del trabajo que él realizó en la época de su doctorado. Ese hallazgo intrigante quedó, por decirlo de alguna manera, hibernando, archivado, hasta que, una década después, logró aplicarlo y detectar que una de sus consecuencias era el crecimiento de las fluctuaciones de vacío.

A los dos primeros artículos en Physical Review Letters les siguió un tercero, en esa oportunidad publicado en Physical Review D, escrito con la colaboración de Andre Gustavo Scagliusi Landulfo, en la actualidad profesor adjunto de la Universidad Federal del ABC (UFABC), intitulado Particle creation due to tachyonic instability in relativistic stars.

“El punto de partida de ese tercer trabajo fue la consideración de que el crecimiento de la densidad de la energía de vacío desencadenada por una estrella de neutrones no puede continuar indefinidamente, pues, como esa energía actúa retroactivamente en el espacio-tiempo, curvándolo cada vez más, en el límite eso ocasionaría un colapso del universo. En algún momento, algo sucede que estabiliza el sistema. Verificamos teóricamente que, cuando el proceso se interrumpe y ocurre una nueva situación de equilibrio, parte de la energía de vacío excedente es liberada en forma de partículas reales que escapan del sistema. Sucedería entonces, en ese caso, una producción en profusión de partículas”, explicó Turolla Vanzella.

Según Matsas, en el caso concreto de la colisión de dos estrellas de neutrones, por ejemplo, el balance energético de esa producción de partículas suministraría una condición observacional para la eventual confirmación del modelo postulado.

Dadas las grandes dificultades de cálculo, el modelo se elaboró con base en diversas simplificaciones: el espacio-tiempo se concibió como una realidad estática, la retroacción de la energía de vacío en el espacio-tiempo no se computó y se ideó a la estrella como un objeto perfectamente esférico y sin rotación. Es sabido que en realidad nada de ello es así. Pero los científicos verificaron que, aun con ese escenario sumamente simplificado, el efecto se manifestaba. Trabajos posteriores, que contaron con la colaboración de Raissa Mendes, alumna de doctorado de Matsas, apuntaron a acercar un poco más el modelo a la situación real, investigando teóricamente qué sucedería en caso de que la estrella no fuese perfectamente simétrica o rotase.

Dos artículos de esta etapa da investigación han salido publicados en Physical Review D: Awaking the vacuum with spheroidal shells y Quantum versus classical instability of scalar fields in curved backgrounds. Y un tercero pasa por una revisión matemática para su posterior publicación.

El contexto cosmológico

La tarea de analizar ese efecto en el contexto cosmológico como una posible explicación de la expansión acelerada del universo, que constituye actualmente uno de los mayores enigmas de la cosmología, es algo que se encuentra en la lista de prioridades de Turolla Vanzella. “Empecé a pensar en eso durante mi posdoctorado, bajo la supervisión de Leonard Parker, en la Universidad de Wisconsin en Milwaukee, Estados Unidos. Parker fue el fundador del área de teoría de campos en espacios-tiempos curvos, en la cual trabajamos. Y consideraba que la llamada ‘energía oscura’, responsable de la expansión acelerada del universo, podría ser una energía de vacío.”

La eventual aplicación del efecto descubierto por los brasileños en el escenario cosmológico constituiría una hazaña espectacular. Pero el efecto en sí ya es un descubrimiento notable. “La posibilidad de que la curvatura del espacio-tiempo exacerbe las fluctuaciones del vacío no es para nada trivial ni intuitiva. Quedamos sorprendidos al descubrirla”, comentó Matsas.

“Pese a que la energía total del vacío es cero y se mantiene en cero, las fluctuaciones hacen que esa energía presente variaciones extremas localmente, creciendo o decreciendo de manera exponencial. Efectos de vacío cuántico eran esperados, pero con una expresión muy sutil. Lo que Turolla Vanzella y Couto Corrêa de Lima mostraron fue que esos efectos pueden adquirir proporciones catastróficas”, dijo el investigador.