Hay un problema fundamental en la física.
Un solo número, llamado constante cosmológica, une el mundo microscópico de la mecánica cuántica y el mundo macroscópico de la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero ninguna teoría puede estar de acuerdo en su valor.
De hecho, existe una gran discrepancia entre el valor observado de esta constante y lo que la teoría predice que se considera ampliamente la peor predicción en la historia de la física. Resolver la discrepancia puede ser el objetivo más importante de la física teórica en este siglo.
Lucas Lombriser, profesor asistente de física teórica en la Universidad de Ginebra en Suiza, ha introducido una nueva forma de evaluar las ecuaciones de gravedad de Albert Einstein para encontrar un valor para la constante cosmológica que coincida estrechamente con su valor observado. Publicó su método en línea en la edición del 10 de octubre de la revista Physics Letters B.
Cómo el mayor error de Einstein se convirtió en energía oscura
La historia de la constante cosmológica comenzó hace más de un siglo cuando Einstein presentó un conjunto de ecuaciones, ahora conocidas como ecuaciones de campo de Einstein, que 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 el tiempo para crear la fuerza de la gravedad. En ese momento, tanto Einstein como los astrónomos acordaron que el universo tenía un tamaño fijo y que el espacio general entre las galaxias no cambiaba. Sin embargo, cuando Einstein aplicó la relatividad general al universo en su conjunto, su teoría predijo un universo inestable que se expandiría o contraería. Para obligar al universo a ser estático, Einstein añadió la constante cosmológica.
Casi una década después, otro físico, Edwin Hubble, descubrió que nuestro universo no es estático, sino que se está expandiendo. La luz de las galaxias distantes mostró que todos se estaban alejando el uno del otro. Esta revelación persuadió a Einstein a abandonar la constante cosmológica de sus ecuaciones de campo, ya que ya no era necesario explicar un universo en expansión. La historia de la física dice que Einstein luego confesó que su introducción de la constante cosmológica fue quizás su mayor error.
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 se estaban acelerando una de la otra como si una fuerza desconocida estuviera superando la gravedad y separando a esas galaxias. Los físicos han llamado a este fenómeno enigmático energía oscura, ya que su verdadera naturaleza sigue siendo un misterio.
En un giro de ironía, los físicos volvieron a introducir la constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein para dar cuenta de la energía oscura. En el modelo estándar actual de cosmología, conocido como ΛCDM (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), sobre la escala del universo, es lo suficientemente significativo como para explicar la expansión acelerada del espacio.
"La constante cosmológica actualmente constituye aproximadamente el 70% del contenido de energía en nuestro universo, que es lo que podemos inferir de la expansión acelerada observada que nuestro universo está experimentando actualmente. Sin embargo, esta constante no se entiende", dijo Lombriser. "Los intentos de explicarlo han fallado, y parece haber algo fundamental que nos falta en la forma en que entendemos el cosmos. Desentrañar este rompecabezas es una de las principales áreas de investigación en física moderna. En general, se anticipa que resolver el problema puede conducir a nosotros a una comprensión más fundamental de la física ".
La peor predicción teórica en la historia de la física.
Se cree que la constante cosmológica representa lo que los físicos llaman "energía de vacío". La teoría del campo cuántico afirma que incluso en un vacío de espacio completamente vacío, 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 de las observaciones por un factor alucinante de 10 ^ 121 (eso es 10 seguido por 120 ceros), la mayor discrepancia entre la teoría y el experimento en toda la física.
Tal disparidad ha causado que algunos físicos duden de las ecuaciones de gravedad originales de Einstein; algunos incluso han sugerido modelos alternativos de gravedad. Sin embargo, la evidencia adicional de ondas gravitacionales por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) solo ha fortalecido la relatividad general y ha descartado muchas de estas teorías alternativas. Es por eso que en lugar de repensar la gravedad, Lombriser tomó un enfoque diferente para resolver este rompecabezas cósmico.
"El mecanismo que propongo no modifica las ecuaciones de campo de Einstein", dijo Lombriser. En cambio, "agrega una ecuación adicional sobre las ecuaciones de campo de Einstein".
La constante gravitacional, que se utilizó por primera vez en las leyes de gravedad de Isaac Newton y ahora es una parte esencial de las ecuaciones de campo de Einstein, describe la magnitud de la fuerza gravitacional entre los objetos. Se considera una de las constantes fundamentales de la física, eternamente sin cambios desde el comienzo del universo. Lombriser ha asumido dramáticamente que esta constante puede cambiar.
En la modificación de la relatividad general de Lombriser, la constante gravitacional permanece igual dentro de nuestro universo observable, pero puede variar más allá. Sugiere un escenario multiverso donde puede haber parches del universo invisibles para nosotros que tienen valores diferentes para las constantes fundamentales.
Esta variación de la gravedad le dio a Lombriser una ecuación adicional que relaciona la constante cosmológica con la suma promedio de la materia a través del espacio-tiempo. Después de que contabilizó la masa estimada de todas las galaxias, estrellas y materia oscura del universo, pudo resolver esa nueva ecuación para obtener un nuevo valor para la constante cosmológica, una que esté muy de acuerdo con las observaciones.
Usando un nuevo parámetro, ΩΛ (omega lambda), que expresa la fracción del universo hecha de materia oscura, descubrió que el universo está compuesto por aproximadamente un 74% de energía oscura. Este número coincide estrechamente con el valor del 68,5% estimado a partir de las observaciones, una mejora tremenda sobre la enorme disparidad encontrada por la teoría cuántica de campos.
Aunque el marco de Lombriser podría resolver el problema cosmológico constante, actualmente no hay forma de probarlo. Pero en el futuro, si los experimentos de otras teorías validan sus ecuaciones, podría significar un gran salto en nuestra comprensión de la energía oscura y proporcionar una herramienta para resolver otros misterios cósmicos.
