El magnetismo oculto del universo

En la naturaleza se conocen cuatro interacciones fundamentales que nos permiten explicar la mayoría de los fenómenos físicos observados: la interacción fuerte, la interacción débil, el electromagnetismo y la gravedad. Las dos primeras son de muy corto alcance por lo que, aunque resultan imprescindibles para comprender la física nuclear y de las partículas elementales, son prácticamente irrelevantes a partir de escalas atómicas o moleculares, razón por la que fueron las últimas en ser descubiertas.

A estas escalas, la fuerza dominante es el electromagnetismo, que permite entender las interacciones entre los átomos y las moléculas. El motivo de que esto sea así es que, al contrario de lo que ocurre con las interacciones fuerte y débil, su acción es de largo alcance. Cuando se consideran escalas aún mayores, las cargas positivas y negativas tienden a compensarse haciendo que los cuerpos sean eléctricamente neutros, de modo que su interacción electromagnética cesa.

De este modo, aunque la gravedad es la más débil de todas las interacciones conocidas, debido a que también se trata de una fuerza de largo alcance y a que no hay fuentes gravitatorias negativas que puedan compensar la atracción de las masas, es la que gobierna la dinámica de las galaxias, los cúmulos y, en última instancia, el universo.

Que el electromagnetismo y la gravedad sean interacciones de largo alcance implica que su acción se deja sentir por muy lejos que nos situemos de la fuente. Sin embargo, la validez tanto de la relatividad general (nuestra teoría de la gravitación) como del electromagnetismo únicamente se ha podido comprobar a escala del sistema solar, que resulta ridícula cuando se compara con el abrumador tamaño del universo.

Si bien es cierto que podríamos suponer que el comportamiento de estas dos interacciones será el mismo sin importar las distancias involucradas, en realidad no hay ninguna evidencia experimental de que esto sea así y, de hecho, a escalas galácticas y mayores hay fenómenos que no han podido ser explicados de forma satisfactoria dentro del marco de estas dos teorías.

Teorías con zonas oscuras

Por un lado, la relatividad general es incapaz de explicar la dinámica galáctica sin incluir la llamada materia oscura y, a escalas mucho mayores, se requiere la presencia de un tipo de energía exótica, llamada energía oscura, para dar cuenta de la actual fase de expansión acelerada del universo.

En cuanto a la materia oscura, la mayor parte de la comunidad acepta la existencia de algún tipo de partícula que aún no se ha detectado, pero que se espera observar con los detectores directos e indirectos que están funcionando actualmente o que comenzarán a operar en los próximos años.

Sin embargo, en relación a la otra componente oscura, todavía no se ha alcanzado un consenso sobre la verdadera causa que está generando la expansión acelerada del universo, si bien se admite una explicación que, por su simplicidad, resulta ser la más favorecida por el principio de la navaja de Occam: la constante cosmológica.

El problema es que, aunque es capaz de explicar la mayor parte de las observaciones cosmológicas con gran precisión, el valor de esta constante es tan extremadamente pequeño que, desde un punto de vista puramente teórico, resulta poco natural, y esto inquieta a la cosmología teórica. Esta es la razón por la que se exploran alternativas que nos permitan dilucidar la verdadera naturaleza de esta constante.

Por otro lado, es bien conocido que las galaxias y los cúmulos de galaxias contienen campos magnéticos relativamente intensos y que se extienden de forma coherente a lo largo de toda su estructura. Además, en los últimos años se ha comenzado a observar que dichos campos se encuentran también fuera de las propias galaxias y podrían permear la totalidad del universo visible.

Aunque se conocen mecanismos que podrían amplificar dichos campos a partir de semillas primordiales (diminutos campos magnéticos creados en los primeros instantes del universo que, por el enfriamiento y debido a un efecto dínamo, crecieron hasta los valores que se observan actualmente), el origen de estos campos primigenios no encuentra una explicación satisfactoria dentro de la teoría electromagnética de Maxwell.

La poca naturalidad de la constante cosmológica

Recientemente, investigadores del Departamento de Física Teórica I de la Facultad de Ciencias Físicas de la UCM han mostrado que ambos problemas (la expansión acelerada del universo y la existencia de campos magnéticos cosmológicos) podrían encontrar una solución simple cuando se tienen en cuenta los efectos de la expansión del universo sobre la interacción electromagnética.

En efecto, se sabe desde hace más de 50 años que el campo electromagnético contiene componentes que no se manifiestan físicamente en situaciones ordinarias y que, de hecho, se ignoran en los tratamientos habituales. Sin embargo, lo que precisamente se ha encontrado en estos trabajos es que dichas componentes pueden tener efectos físicos cuando se consideran en un contexto cosmológico.

En el universo primitivo, se cree que tuvo lugar una fase de expansión acelerada, similar a la que se está dando actualmente, denominada inflación. Durante este período inflacionario no se pueden producir las componentes físicas usuales del campo electromagnético, pero sí se generan las componentes que son normalmente ignoradas. Además, al finalizar la época inflacionaria, estas componentes sobreviven a grandes escalas en forma de una constante cosmológica efectiva cuyo valor está determinado por la temperatura del universo al finalizar la inflación.

Lo sorprendente de este mecanismo es que, si la temperatura del universo al final de la inflación corresponde con la de la escala electrodébil, el valor de la constante cosmológica coincide con el que se requiere para explicar la presente fase de expansión acelerada. Esto resolvería el problema de naturalidad de la constante cosmológica, obteniéndose su valor a partir de la física a una escala que es precisamente la que se pretende estudiar en el Gran Colisionador de Hadrones LHC en Ginebra.

Por otro lado, las componentes generadas durante inflación también producen campos magnéticos que no sólo podrían actuar como las semillas primigenias de los campos magnéticos galácticos, sino que permitirían explicar su presencia fuera de las galaxias.

Como tantas veces ocurre en Física, dos fenómenos que aparentemente no guardan relación alguna, como son la presencia de campos magnéticos cosmológicos y la aceleración cósmica, podrían encontrar una explicación sencilla y simultánea si se contemplan desde una perspectiva diferente. Sin duda el tiempo determinará si es esta la correcta.