El misterio de la constante cosmológica

Alexander Fridman
(Александр Фридман)

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Este artículo completa un artículo anterior con un título parecido: El problema de la constante cosmológica.

En primer lugar, vamos a distinguir tres conceptos diferentes, pero que podrían estar relacionados:

1. La energía del vacío: se debe a la aparición constante de pares de partículas y antipartículas que se desintegran inmediatamente entre sí, de modo que son indetectables por experimentación directa. Su aparición es consecuencia del principio de incertidumbre: ΔE×Δt<ħ/2, que implica que una partícula con la energía ΔE puede aparecer espontáneamente durante un tiempo Δt<ħ/(2ΔE), tanto más pequeño cuanto más grande sea ΔE. Así, un electrón virtual duraría menos de 4×10^-21 segundos. Un protón, cuya masa es 1837 veces mayor, duraría 1837 veces menos. Aplicando la teoría cuántica de campos a todas las partículas conocidas, se puede estimar la energía del vacío.
2. La constante cosmológica: fue introducida por Einstein en su ecuación cosmológica, que en el formato ideado por Alexander Friedman se expresa así: El símbolo Λ es la constante cosmológica. Einstein propuso un valor negativo, para que compensara la expansión cósmica, en la que al principio no creía. Hoy se piensa que es positiva, lo que explicaría la expansión acelerada del universo descubierta en 1998.

3. La energía oscura: un agente desconocido que causaría la expansión acelerada del universo.

¿Cuál es la relación entre estos tres conceptos? Se piensa que la energía del vacío podría ser la causa de la aparición de la constante cosmológica en la ecuación de Friedman, que a su vez provocaría la expansión acelerada del universo. El valor de la constante cosmológica, en función de la energía del vacío, sería Λ_ev=(8πG/c⁴)×ρ_v, donde G es la constante gravitatoria, c la velocidad de la luz, y ρ_v la densidad de energía del vacío. Si esto fuera cierto, la energía oscura sería otro nombre de la energía del vacío.

Albert Einstein

¿Cuál es el misterio de la constante cosmológica? Que, si calculamos su valor en función de la energía del vacío aplicando la teoría cuántica de campos a todas las partículas elementales que conocemos y sumando, nos sale un valor 120 órdenes de magnitud mayor que el que sale si identificamos la constante cosmológica con la energía oscura y obtenemos su valor aplicando el modelo cosmológico estándar. O sea: Λ_ev = Λ_eo×10¹²⁰. Se ha dicho que esta es la peor predicción de la historia de la física.

¿Cómo se podría resolver este misterio? Quizá así: en realidad, la constante cosmológica no derivaría exclusivamente de la energía del vacío, sino que su valor total, Λ_eo, se obtendría sumando tres componentes:

• Una constante cosmológica básica (o desnuda), debida a la gravedad.
• Λ_ev, el valor calculado en función de la energía del vacío.
• Otro conjunto de términos obtenidos de la misma manera, correspondientes a todas las partículas que aún no hemos descubierto, que también tendrían que aportar su contribución.

El problema es que el valor total, Λ_eo, es 120 órdenes de magnitud más pequeño que la segunda componente. Habría que suponer que los otros dos términos tienen que compensar casi exactamente ese valor tan enorme, para que la suma de los tres sea tan pequeña. Este es un caso de ajuste fino, puesto que el valor de la constante cosmológica tiene que ser así de pequeña para que sea posible la vida en un universo como el nuestro. Pues si fuera algo más grande de lo que es, el universo se habría expandido tan deprisa que no se habrían podido formar las galaxias, y si fuera menor que un valor negativo pequeño habría colapsado hace mucho tiempo en un Big Crunch.

Casi exactamente, pero no exactamente. Si la constante cosmológica fuese exactamente igual a cero, sería compatible con la vida y se podría pensar que algún fenómeno desconocido obligue a que las tres componentes se compensen. Pero al ser casi cero, pero positiva (como parece indicar la expansión acelerada del universo), no se ve ninguna razón para que adopte ese valor, salvo que el universo haya sido diseñado así a propósito. Sí, ya sé que, para evitar esta conclusión, se afirma que hay un número enorme de universos y que nosotros tenemos que estar en el que es compatible con nuestra existencia, o sea, se aplica el principio antrópico a alguna teoría del multiverso. Pero estas soluciones no son científicas, sino elucubraciones.

¿Se ha intentado resolver el misterio de otra manera? ¡Claro! Pero en casi todos los intentos ha habido que sustituir las ecuaciones de Einstein (la relatividad general), proponiendo otra cosa: o bien un ajuste drástico de dichas ecuaciones, que tan bien suelen funcionar, o bien la existencia de una quinta interacción fundamental aún desconocida (la quintaesencia). Se está intentando analizar las ondas gravitatorias detectadas en la última década para ver si aportan alguna luz al problema. Como dijo Gregory Gabadadze, profesor de la Universidad de Nueva York: Desde 1960, cada generación de físicos ha visto cómo aparecían nuevas propuestas. Quizá algún día tengamos predicciones que podamos verificar, pero aún no estamos en ese punto.

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Manuel Alfonseca