Historia de la constante cosmológica

En 1905. Albert Einsten publica su Teoría de la Relatividad Especial y en 1915 publica una versión extendida, llamada Teoría General de la Relatividad, en la que incluye la gravedad. En realidad, define lo que es realmente la gravedad, como explicaba en la entrada La gravedad no existe.

La historia de la constante cosmológica comenzó en 1917 cuando Einstein publica una modificació a sus ecuaciones de campo. Estas ecuaciones se convirtieron en el marco de su teoría de la relatividad general. Las ecuaciones explican cómo la materia y la energía deforman el tejido del espacio y tiempo y esa deformación es lo que apreciamos como gravedad.

A principios del siglo XX no se conocía la expansión del universo y se creía que el universo era fijo y no cambiaba, pero las ecuaciones de la relatividad general predecían un universo inestable que se expandiría o se contraería. Para obligar al universo a ser estático, Einstein publcó las modificaciones a su teoría y agregó la constante cosmológica, con un valor negativo.

Más tarde llegó Edwin Hubble, que descubrió que el universo no es estático, sino que se expande. La luz de las galaxias mostraban que todas se estaban alejando unas de otras, por el efecto Doppler que se puede observar en la luz recibida.

Esta revelación persuadió a Einstein a abandonar la constante cosmológica de su ecuaciones de campo ya que ya no era necesario para explicar un universo en expansión, justamente la teoría ya mostraba un universo inestable. La tradición dice que Einstein confesó más tarde que su la introducción de la constante cosmológica fue quizás su mayor error, aunque hay algo de leyenda.

El tema parecía cerrado en cuanto a la constante cosmológica, ya que se le daba el valor cero.

En 1998, las observaciones de supernovas distantes mostraron que el universo no solo se estaba expandiendo, sino que la expansión se estaba acelerando. Las galaxias eran acelerando alejándose unos de otros como si alguna fuerza desconocida estuviera superando la gravedad y empujando a esas galaxias a separarse. Los físicos han nombrado este enigmático fenómeno de la energía oscura, ya que su verdadera naturaleza sigue siendo un misterio.

Esta misterioriosa fuerza que acelera la expansión del universo se refleja en las ecuaciones reintroduciendo una vez más la constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein, con un valor positivo, para dar cuenta de la energía oscura, por lo que la constante cosmológica tenía un valor muy pequeño, pero no nulo.

En el modelo estándar actual de cosmología, conocido como ACDM (Lambda CDM), la constante cosmológica es intercambiable con la energía oscura. Los astrónomos incluso han estimado su valor basándose en observaciones de supernovas distantes y fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas. Aunque el valor es absurdamente pequeño (del orden de 10^-52 por metro cuadrado), en la escala del universo, es lo suficientemente significativo como para explicar el acelerado expansión del espacio.

Se cree que la constante cosmológica representa lo que los físicos llaman "energía del vacío". La teoría del campo cuántico establece que incluso en un espacio completamente vacío del espacio, las partículas virtuales aparecen y desaparecen y crean energía, una idea aparentemente absurda, pero que se ha observado experimentalmente. El problema surge cuando los físicos intentan calcular su contribución a la constante cosmológica. Su resultado difiere a partir de observaciones por un factor alucinante de 10^121 (eso es 10 seguido de 120 ceros), es la discrepancia más grande entre la teoría y el experimento que se ha dado en toda la física.

Es decir, el problema de la energía del vacío es que no parece haber suficiente. Cuando los físicos comenzaron a hacer cálculos, hallaron que su valor debía ser enorme: tanto que habría expandido el cosmos tan deprisa que las estrellas y las galaxias no habrían tenido tiempo de formarse. Y eso no ha ocurrido.

Esto nos lleva a una cuestión filosófica porque el valor de esta constante es uno de esos valores críticos que hacen pensar que el universo ha tenido que ser diseñado para que sea posible la vida. Si es muy grande, la materia no cuaja y si es menor de lo propuesto por el modelo cosmológico estándar, el universo colapsa antes de que aparezca la vida que conocemos.

Este es el punto en el que, las grandes teorías que tenemos del universo, mecánica cuántica y relatividad general, discrepan. Y no tenemos claro cómo conseguir una teoría de la gravedad cuántica.