La materia oscura emerge de la energía oscura en la gravedad entrópica de Verlinde... (36826)

El físico Erik Verlinde es famoso por su teoría de la gravedad emergente a partir de una fuerza entrópica. La energía oscura sería una especie de éter gravitacional, un medio elástico que emerge del entrelazamiento entre grados de libertad cuánticos. Más aún, la materia oscura sería resultado de la interacción de la energía oscura con la materia bariónica. Su teoría permite derivar la teoría MOND de Milgrom a escala galáctica. Teoría que se modifica a escala de supercúmulos y a escala cosmológica para ajustarse a las observaciones que la refutan. Verlinde afirma que su teoría explica por qué la materia oscura representa el 75% de la materia total (y la materia ordinaria el 25%).

La nueva teoría tiene muchos problemas cosmológicos y contradice lo que sabemos sobre la evolución del universo. La energía oscura debería haber dominado el universo siempre, en contra de las observaciones del fondo cósmico de microdondas; cuando se formó no era relevante y, de hecho, entonces la proporción entre la materia oscura y la materia total no era del 25%. Tampoco explica la expansión del universo, ni tiene cabida la inflación cósmica. El artículo de Verlinde, como ya es habitual en él, está repleto de divagaciones (él las llama conjeturas) y resulta difícil seguir sus ideas altamente especulativas. Aún así, está generando mucho eco mediático.

Verlinde afirma que le ha costado seis años de investigaciones escribir este artículo, producto de los 2 millones de euros que logró con un proyecto ERC Advanced Grant y de los 2,5 millones de euros de un Premio Spinoza. Su trabajo está inspirado artículos previos de Knopp, Ng, Takeuchi y otros que deducen la teoría MOND a partir de su gravedad entrópica. Sin embargo, ofrece nuevas ideas que han surgido de las discusiones sobre los muros de fuego (firewalls) en agujeros negros. Si eres físico te recomiendo leer las 51 páginas de Erik P. Verlinde, “Emergent Gravity and the Dark Universe,” arXiv:1611.02269[hep-th].

Más información loando a Verlinde en “Una nueva teoría de la gravedad podría explicar la materia oscura,” Europa Press, 08 Nov 2011; Imane Rachidi, “Una nueva teoría sobre la gravedad podría explicar la materia oscura,” El Mundo, 08 Nov 2016. O en inglés en, por ejemplo, Jaccqueline de Vree, “New Theory of Gravity Might Explain Dark Mattter,” Delta Institute for Theoretical Physics, 08 Nov 2016; Ian Johnston, “Stunning new theory of gravity suggests there’s no such thing as dark matter,” Independent, 08 Nov 2016.

[PS 13 Nov 2016] En blogs recomiendo leer a Luboš Motl, “Verlinde’s de Sitter MOND is highly incomplete, to say the least. The Dutch media brutally overhype a generic speculative idea,” TRF, 12 Nov 2016.

La entropía de Bekenstein–Hawking para los agujeros negros (que son espaciotiempo curvado pero vacío) sugiere que el espaciotiempo (y la gravitación) emergen de una formulación holográfica. Todos los grados de libertad cuánticos que describen un volumen de espaciotiempo se encuentran concentrados en el área de su superficie. La gravedad entrópica de Verlinde usa esta idea para deducir las ecuaciones de Einstein linealizadas (hay que recurrir ad hoc a la backreaction, que la gravedad gravita, para obtener las ecuaciones de Einstein, que son no lineales).

El gran problema de la idea del universo holográfico es que nuestro universo es de tipo de Sitter (dS), con constante cosmológica positiva, en lugar de anti-de Sitter (AdS), con constante cosmológica negativa. La holografía funciona bien en un universo de tipo AdS, con borde, vía la correspondencia AdS/CFT de Maldacena y argumentos similares. Sin embargo, en un universo de tipo dS, sin borde, ¿dónde está el área que contiene los grados de libertad holográficos que determinan la física en el volumen? Verlinde nos propone que se encuentran en el horizonte cosmológico. Un horizonte ficticio (como lo es el horizonte de sucesos de un agujero negro), pero que podría contener dichos grados de libertad cuánticos codificados de alguna forma exótica (Verlinde no dice cómo), en analogía a como se codifican en el horizonte de sucesos de un agujero negro (donde se recurre a ideas como las simetrías BMS o la dualidad ER=EPR).

El problema es que la entropía en un universo de de Sitter con horizonte cosmológico no se describe por la fórmula de Bekenstein–Hawking que depende del área de dicho horizonte; hay que incluir términos volumétricos. El origen de dichos términos es un misterio, pero Verlinde afirma que la energía oscura es resultado de dichos grados de libertad cuánticos en el volumen del espaciotiempo. Más aún, recuperando la idea del éter luminífero, introduce un medio elástico que se comporta como éter gravitacional que emerge de la termalización de los grados de libertad cuánticos en el volumen del universo dS.

Recurrir a un éter gravitacional para explicar la energía oscura puede molestar a algunos físicos. Por ello Verlinde no usa el término éter en su artículo y prefiere el término “fase elástica oscura” (‘dark’ elastic phase). Pero la formulación que presenta recuerda mucho a la del éter luminífero como medio elástico para sustentar la propagación de las ondas electromagnéticas.

Explicada la energía oscura como un medio elástico que permea el universo dS, Verlinde estudia el efecto de dicho medio sobre la materia de las galaxias. La materia ordinaria causa un desplazamiento en el “medio elástico oscuro” que produce una fuerza de reacción sobre la materia. Dicho efecto corresponde a una modificación de la gravedad similar a la teoría MOND de Milgrom. 

Se observa como una aceleración constante que permite explicar las curvas de rotación galáctica sin necesidad de halos de materia oscura. Verlinde se cura en salud afirmando que su teoría no viola la ley de la inercia (como la teoría MOND) sino que dicha “violación” es aparente.

El Cúmulo Bala no se puede explicar con la teoría MOND. Verlinde sortea este problema de forma elegante. La aceleración constante aparece para distribuciones esféricas de materia. La reacción entrópica del medio elástico oscuro para cúmulos y supercúmulos, cuya forma no es esférica, requiere modificar la teoría MOND; no dice cómo, pero afirma que en el futuro calculará dicha modificación y que en su opinión logrará explicar la materia oscura donde la teoría MOND falla.

La teoría MOND también falla a escala cosmológica. No hay problema para el que Verlinde no sugiera una solución. Tras un alarde técnico se saca de la manga una fórmula que explica que la reacción entrópica del medio elástico oscuro hace que la “materia oscura aparente” siempre parece tres veces más abundante que la materia bariónica. Así explica que observemos que el 25% de la materia del universo es bariónica y el 75% es materia oscura. En realidad solo existiría la materia bariónica, siendo la materia oscura la reacción de la energía oscura (medio elástico oscuro) a dicha materia.

El artículo de Verlinde sigue su estilo habitual. Se supone que está inspirado en ideas de la teoría de cuerdas. Por tanto, no puede faltar un diccionario, una correspondencia entre magnitudes físicas diferentes guiada por una supuesta dualidad física. Como muestra esta tabla, Verlinde relaciona las propiedades gravitacionales de la materia con las del medio elástico oscuro (su éter gravitacional), usando su aceleración constante a0 tipo MOND. De hecho, como es habitual en los artículos de gravedad entrópica solo se habla de gravitación newtoniana.

Este tipo de diccionarios ad hoc son muy habituales entre los físicos que afirman estar inspirados en la teoría de cuerdas, pero que no quieren adentrarse en las matemáticas de la teoría de cuerdas necesarias para justificar su correspondencia. Todo el artículo está repleto de fórmulas, pero la mayoría son divagaciones. Falta un hilo conductor que actúe como razonamiento lógico. En apariencia todo es muy riguroso, pero las apariencias engañan.

Las ideas de Verlinde contradicen lo que sabemos sobre la Naturaleza. ¿A quién le importa? Lo maravilloso de Verlinde es que nos obliga a desaprender todo lo que sabemos. Su objetivo no confesado es doblegar a la Naturaleza para que se comporte como él afirma que debe comportarse. Sus ideas son tan profundas que la Naturaleza no puede seguir otro camino. 

Los 4,5 millones de euros gastados en este trabajo merecen la pena. 

Sin lugar a dudas.

En resumen, un artículo de Verlinde siempre da mucho que hablar.

 Muchos otros físicos seguirán sus ideas y tratarán de darles algún sentido. 

Pero por ahora lo único que muestran las 51 páginas del artículo son una enorme cantidad de problemas sin resolver, con muchos argumentos faltantes. 

Muchos físicos tratarán de rellenar dichas lagunas.

 Lo que no sabemos es si llevarán a algún sitio o si solo servirán para oscurecer lo que de por sí ya es muy oscuro.