¿Y SI EINSTEIN METIÓ LA PATA?
Algunos científicos no comulgan con las hipótesis más extendidas y, así, dudan de la existencia de la materia oscura y hasta de la vigencia de la teoría de la relatividad de Einstein, considerada casi un dogma desde hace un siglo.
En octubre de 2016, la decepción ensombreció la cara de muchos astrofísicos. Los resultados publicados por tres grupos multidisciplinares de investigadores dejaban claro que la elusiva materia oscura seguía sin aparecer. Y ello a pesar de que los equipos empleados en sus experimentos –el Large Underground Xenon o LUX, ubicado en EE. UU.; el PandaX-II, en China; y el XENON100, en Italia– supuestamente pueden detectar partículas con masas apenas cuarenta o cincuenta veces mayores que la de un protón.
Con todo, y tras tres años de trabajo y más de 30 millones de dólares invertidos, no ha aparecido ni el más mínimo indicio directo de la presencia de la citada materia oscura, al menos del tipo que esperan encontrar la mayoría de los expertos que se dedican a este asunto, las partículas conocidas como WIMP.
La materia oscura apareció en la arena científica en 1933, cuando el físico Fritz Zwicky descubrió que las galaxias que componen el cúmulo situado en la constelación de Coma Berenices se movían a velocidades altísimas, del orden de mil kilómetros por segundo. Aquello tenía unas implicaciones sorprendentes. En esencia, significaba que si la masa total del cúmulo fuera únicamente la que podía discernirse a través del telescopio, ya se habrían dispersado por el espacio, esto es, no bastaría para mantenerlas unidas gravitacionalmente. Pero como el cúmulo no se había eva
porado, debía contener más materia, oculta a nuestras observaciones. Durante las siguientes décadas no se dieron avances significativos en el estudio de esa masa perdida, como la llamó Zwicky. Pero en 1977, la astrónoma Vera Rubin (1928-2016), que se encontraba estudian- do la rotación de las galaxias espirales, descubrió que para explicarla necesitaba incluir más masa de la que aparentemente contenían. La Vía Láctea, en concreto, debía poseer diez veces más que la que atesoraba en forma de estrellas y nebulosas. Rubin concluyó que nuestro barrio galáctico tenía que estar envuelto en una especie de esfera de materia oscura.
MÁS DEL 90% DEL COSMOS RESULTA INVISIBLE A NUESTROS INSTRUMENTOS
Desde entonces, los astrónomos han descubierto que esta aparece por todos los rincones del universo. Hoy se supone que integra más del 90 % de la masa total de los cúmulos de galaxias. El problema surge cuando nos hacemos una sencilla pregunta: ¿qué es? Pues bien, en este terreno, la calenturienta mente de los científicos se ha desbocado.
TRAS DÉCADAS DE BÚSQUEDA, NO SABEMOS QUÉ ES LA MATERIA OSCURA, O SI ESTÁ AHÍ
Algunos han planteado que se trata de estrellas de baja masa; otros, que está formada por agujeros negros; o por granos de polvo fríos; o quizá por una o varias de las partículas exóticas concebidas por los físicos teóricos. Determinar su naturaleza es uno de los problemas más importantes de la astrofísica actual.
LAS ESPERADAS PRUEBAS DIRECTAS BRILLAN POR SU AUSENCIA
Ahora bien, que los cosmólogos no sepan qué es no les ha impedido clasificarla en dos tipos: caliente y fría. Estos términos se refieren a la velocidad a la que se mueven las partículas: si tienen una masa similar a la del protón, lo harán lentamente –es la fría–; pero si son más ligeras, viajarán a velocidades cercanas a la de la luz –la caliente–. El candidato que se suele identificar con la materia oscura caliente es el neutrino.
No obstante, hoy la mayoría de los expertos opta por la materia oscura fría, pues el modelo de universo que surge de ella es consistente con otro fenómeno observado, las fluctuaciones de la radiación del fondo cósmico de microondas. En todo caso, la pregunta del millón sigue siendo la misma: ¿de qué está hecha? Es aquí donde aparecen las WIMP, acrónimo en inglés de partículas masivas que interactúan débilmente.
Bajo este nombre se agrupa toda una colección de partículas de masa elevada que nacen de las ecuaciones de la supersimetría, uno de los intentos para unificar todos los constituyentes de la materia y las cuatro fuerzas de la naturaleza bajo una única expresión matemática. Para que tenga sentido, la citada supersimetría predice la existencia de al menos dos veces más partículas subatómicas que las que conocemos, ya que cada partícula poseería un compañero supersimétrico: así, al fotón le acompañaría el fotino; y al electrón, el selectrón, por ejemplo. El problema es que todavía no se ha descubierto ninguno.
Las WIMP, que eran la gran esperanza de los buscadores de materia oscura, lo van siendo cada vez menos, y el hecho de que la supersimetría siga haciéndose la loca y no aparezca prueba de su existencia por ningún lado ha empezado a impacientar a muchos científicos, hartos de que la teoría se estire mientras se suceden los fracasos experimentales. El astrofísico teórico Dan Hooper, del Laboratorio Nacional Fermi, en Chicago –el Fermilab–, lo ha dejado claro: “Todos estos años hemos buscado un tipo de materia oscura de acuerdo a nuestra mejor suposición; ahora empezamos a preguntarnos si tal vez nos equivocamos”.
Con el triple fiasco del pasado año, algunos investigadores han vuelto a prestar atención a la niña bonita de la materia oscura de finales de los años 80, una partícula denominada axión. Esta fue bautizada así por el nobel de Física Frank Wilczek, uno de los teóricos que predijo su existencia, al cual le pareció perfecto ponerle el mismo nombre que el del detergente que solía usar.
LOS ASTROFÍSICOS SACAN DEL CAJÓN ALGUNAS VIEJAS HIPÓTESIS
Los axiones son mucho menos pesados que las WIMP –como una millonésima de una milmillonésima parte– y, como ellos, interactúan muy débilmente con la materia. Fueron concebidos en 1977, como una solución a un problema que presentaba una de las teorías más queridas de los físicos, la cromodinámica cuántica, que explica cómo se mantiene unido el núcleo atómico. Como no se pudo probar que estuvieran ahí, todo el mundo se volcó en las WIMP.
Pero eso no quiere decir que se hayan dejado de buscar. En 1995, se puso en marcha el experimento ADMX en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore –en 2010 se trasladó a la Universidad de Washington–, que tampoco ha arrojado resultados definitivos. Es más, el estudio más detallado sobre este asunto, publicado el pasado noviembre en la revista Nature por el físico húngaro Zoltán Fodor y sus colaboradores, ha determinado que la hipotética masa del axión podría ser hasta diez veces mayor que la esperada. Esto significaría que el equipo del ADMX habría estado buscando en vano, pues se diseñó para detectar una partícula más ligera.
Estos y otros reveses han llevado a algunos investigadores a curarse en salud. En su opinión, aunque la materia oscura probablemente exista, quizá nunca podamos dar con ella. “Es posible que solo lleguemos a percibir su presencia a través de sus efectos gravitatorios”, asegura Matthew Szydagis, un astrofísico de la Universidad de Albany, en EE. UU. Esto convertiría la materia oscura en un fantasma que haría palidecer al del padre de Hamlet. Y por ello, hay científicos –pocos, eso sí–que se han atrevido a formular lo impensable: que la materia oscura no existe.
UN EFECTO DESCONOCIDO RELACIONADO CON LA GRAVEDAD
A este reducido grupo de físicos les resulta absurdo creer en un tipo de materia que ni se ve ni parece interaccionar con la materia ordinaria de otro modo que no sea gravitatoriamente. Uno de estos escépticos era el nobel de Física pakistaní Abdus Salam (1926-1996), que la comparaba con los invisibles genios de Las mil y una noches. En su opinión, se necesita una nueva física. La infructuosa búsqueda de la materia oscura es, para algunos, la prueba de que la relatividad general de Einstein, la base de la cosmología moderna, tendría que modificarse cuando se habla de grandes distancias. Esto es, deberíamos aceptar que no tenemos una teoría completa de la gravedad.
Lo cierto es que ambos planteamientos son bastante radicales. Por un lado, se nos pide que demos por hecho la existencia de la materia oscura, desconocida y con propiedades increíbles –por ejemplo, resulta absolutamente indetectable, pues ni absorbe ni emite energía–, de la que no sabemos nada y que no hemos logrado observar más de ochenta años después de que fuese postulada. Pero es que la alternativa es suponer que la gravedad no funciona como creemos que lo hace cuando se trata de distancias y estructuras muy grandes, como galaxias y cúmulos.
El caso es que, desde un punto de vista teórico, existen ciertas similitudes entre lo que los científicos afirman en la actualidad a propósito de la materia oscura y lo que sus colegas del siglo XIX comentaban sobre el éter. En teoría, la presencia de esta hipotética sustancia que inundaba el espacio permitiría explicar por qué la luz puede viajar por él, pues entonces no se concebía que esta se propagara en el vacío. La existencia del éter evitaba de este modo ciertos efectos desconocidos. ¿No estará pasando lo mismo con la materia oscura?
Para John Moffat, profesor emérito de Física en la Universidad de Toronto (Canadá), y uno de los heterodoxos de la gravitación, “su búsqueda puede convertirse en el experimento nulo más importante desde el que realizaron en 1887 Albert Abraham Michelson y Edward Morley, que puso las bases para descartar la existencia del éter”. Y aquí está el quid de la cuestión: la materia oscura se ha invocado para salvar la relatividad general de los resultados de las pruebas experimentales que la contradicen; por eso hay físicos que se preguntan si es necesario inventarse algo tan fantasmal para preservarla.
Para acabar de complicar las cosas, en 1997 los cosmólogos descubrieron que el universo estaba acelerándose, lo cual resulta imposible dentro del marco de la relatividad general. La conclusión es que, por fuerza, algo debía de estar empujando. Si la existencia de un tipo de materia que resulta indetectable puede ser chocante, el concepto que se propuso para explicar este fenómeno lo supera con creces: una especie de fuerza invisible que nadie comprende bien y que tampoco se sabe qué hace aquí. Se la denominó energía oscura.
Meterle mano a la relatividad general, que en estos años ha demostrado con creces su capacidad predictiva, no es algo que tenga muchos defensores. Sobre todo porque incluso los más críticos señalan que, en realidad, no hay forma de distinguir experimentalmente entre una teoría modificada de la gravedad y el posible efecto de la molesta materia oscura, que se mantiene ahí a pesar de que se ha intentado acabar con ella en varias ocasiones.
Entre las iniciativas más importantes en su contra se encuentra la del físico Mordehai Milgrom, del Instituto Weizmann de Ciencias, en Israel. En 1983, publicó un modelo en el cual la gravedad actuaba de forma diferente cuando las densidades de materia eran extremadamente bajas. Su conclusión fue que la gravedad es más intensa en los sistemas difusos.
LAS PROPUESTAS MOND Y MOG Y OTRAS AUDACES ALTERNATIVAS
Según Milgrom, cuando la aceleración gravitacional es 100.000 millones de veces menor que en la superficie de la Tierra, la gravedad deja de funcionar con el ubicuo inverso del cuadrado de la distancia, y pasa a una relación del inverso de la distancia. En esencia, su punto de vista es que si la teoría newtoniana no se aplica a los campos gravitatorios intensos y debe ser sustituida por la relatividad, quizá haya que proponer una nueva teoría para las regiones con campos muy débiles.
Lo interesante es que esta propuesta, conocida como dinámica newtoniana modificada o MOND, explica mejor el movimiento de las estrellas en las regiones exteriores de las galaxias que si tenemos en cuenta la misteriosa materia oscura. El astrónomo Jacob David Bekenstein formuló en 2004 una versión más completa, que bautizó como teoría de la gravedad relativista covariante o gravedad tensor-vector-escalar.
Moffat lleva trabajando desde 1978 en otra alternativa, a la que ha llamado gravedad modificada (MOG). Su objetivo es dar con una teoría unificada de campos, un problema al que Einstein dedicó los últimos años de su vida y para el que no encontró solución. Las complicaciones matemáticas de esta aventura científica son de dimensiones homéricas, y hasta el momento solo ha podido encontrar aproximaciones a lo que sería una nueva teoría.
La idea es comparar las ecuaciones del campo electromagnético con las del gravitatorio. Pero para que tenga posibilidades de éxito deben darse una condiciones casi increíbles. Por una parte, exige la existencia de una quinta fuerza fundamental de la que, de momento, nada sabemos; además, obliga a que dos famosas constantes físicas, la de la gravitación universal (G) y la velocidad de la luz (c), no lo sean, pero sí su cociente, G/c.
A este grupo de heterodoxos de la gravedad se sumó en 2010 un físico neerlandés llamado Erik Verlinde, que decidió dar otra vuelta de tuerca al asunto. Su planteamiento es que, en sentido estricto, la gravedad no existe; se trata de una ilusión. Eso sí, con matices. Verlinde no afirma que, como se dice vulgarmente, las cosas no caigan por su propio peso, sino que la gravedad no es una propiedad inherente a la materia; sería un fenómeno que aparece cuando se pasa del mundo microscópico al macroscópico. En un primer momento puede sonar sumamente extraño, pero hay una propiedad física bien conocida por todos que se comporta exactamente así: la temperatura.
La experimentamos todos los días; incluso podemos decir que la sentimos, pero deja de existir cuando profundizamos en el universo de lo diminuto. De hecho, la temperatura solo es un reflejo en nuestro mundo cotidiano de la agitación de los átomos y moléculas. Dicho burdamente, viene a ser un reflejo del movimiento de las partículas: cuanto
más rápido lo hacen, nosotros sentimos más calor. Para Verlinde, con la gravedad pasa algo parecido; cuando ponemos muchos átomos juntos aparecen ciertas ecuaciones, como las que ideó Albert Einstein, y por eso pensamos que la gravedad existe.
La propuesta de este científico tiene su origen en el desarrollo más famoso de la física teórica de la segunda mitad del siglo XX: la teoría de cuerdas. En aquel momento, iba a ser la que lo explicaría todo, si bien sus defensores tienen en este momento sus ínfulas bastante más rebajadas. Ahora, Verlinde la ha usado para desarrollar su idea, aunque, según mantiene Milgrom, “está muy lejos de haber resuelto el problema de la materia oscura con una teoría fundamental elegante”.
Uno de sus ingredientes es el principio holográfico, introducido en 1993 por el profesor de la Universidad de Stanford Leonard Susskind y el premio Nobel de Física Gerardus ‘t Hooft. Aquel mantiene que toda la información contenida en un volumen del espacio se puede representar con una teoría que habita en la superficie de ese volumen. Dicho de otro modo, podemos saber lo que sucede dentro de una habitación con solo desarrollar una teoría que tenga en cuenta lo que ocurre en las paredes. Pues bien, lo que ha hecho Verlinde es crear una variante: parte de que la información también estaría contenida en el espacio mismo, y sería necesaria para describir el otro componente misterioso del universo, la energía oscura.
UN MODO DE EVITAR EL CHOQUE ENTRE RELATIVIDAD Y TEORÍA CUÁNTICA
Este físico de los Países Bajos deja más o menos claro el efecto de esta información adicional en un denso artículo de 51 páginas publicado en noviembre de 2016. En él insiste en que la gravedad es un subproducto de las interacciones cuánticas y sugiere que la gravitación extra atribuida a la materia oscura es un efecto de la energía oscura. “La materia oscura es una interacción entre la materia ordinaria y la energía oscura”, señala Hooft.
Todas estas hipótesis surgen porque la relatividad general y la teoría cuántica, los dos grandes hitos de la física del siglo XX, no se llevan bien. A pesar de los esfuerzos de centenares de físicos durante décadas, aún estamos lejos de conseguir una teoría cuántica de la gravedad. Verlinde resuelve el problema de un plumazo cuando dice que esta, como tal, no existe. “Podríamos estar al borde de una nueva revolución científica que cambiará radicalmente nuestras opiniones sobre la naturaleza misma del espacio, el tiempo y la gravedad”, indica de forma un tanto rimbombante.
Lo curioso es que los cálculos de Verlinde le han llevado a redescubrir la teoría MOND del citado Milgrom. Pero el físico israelí no justificaba de ninguna manera por qué tenía lugar el cambio que pregonaba en la ley de la gravedad, lo cual era un problema nada desdeñable. Parecía surgir por arte de magia, y a los físicos solo les gusta la magia en los escenarios. Lo importante del trabajo de Verlinde es que proporciona un mecanismo que permite explicar por qué se produce, gracias a la teoría de cuerdas.
¿Hay alguna prueba experimental de que alguna de estas teorías disidentes son correctas? En 2007, Moffat afirmó que su gravedad modificada permitía explicar la formación del cúmulo Bala, el resultado de la colisión de dos grandes racimos de galaxias cuya dinámica no se comprende sin la materia oscura. Por ello, se considera una de las pruebas indirectas más fuertes a favor de su existencia.
Sin embargo, el pasado noviembre, tres astrofísicos de la Universidad Case Western Reserve (EE. UU.) presentaron en la revista Physical Re
view Letters un análisis de las curvas de rotación de 153 galaxias en el que podía verse cómo la teoría MOND explicaba perfectamente sus observaciones sin necesidad de apelar a la citada materia oscura. Un mes más tarde, otro equipo de astrónomos hizo públicos los resultados de un estudio con 33.613 galaxias con el que querían comprobar si las hipótesis de Verlinde eran correctas. Y lo eran. Lo que ocurre es que también se explican con el tándem relatividad general-materia oscura, por lo que no hay forma de dilucidar cuál de las dos propuestas es correcta.
Si quieren ser tomadas en serio, estas teorías alternativas deberían explicar asimismo lo que la relatividad general predice. Y es mucho.