La constante cosmológica: cómo el "mayor error" de Einstein se convirtió en un problema en expansión

La constante cosmológica representada por la letra griega lambda El mayor error de Einstein es un problema en expansión

La constante cosmológica es un problema. En realidad, eso es un eufemismo, la constante cosmológica era un problema, es un problema y siempre puede ser un problema. Para entender por qué esta pequeña constante ha causado tanto estrés a los cosmólogos, es necesario dividir su historia en dos eras muy distintas, y quizás entonces, considerar su futuro. Así, esta introducción es a la constante cosmológica lo que el fantasma de Marley fue para Scrooge. Un aviso de un viaje por su historia, su futuro, y quizás, ofreciéndole un atisbo de redención.

Las estimaciones teóricas actuales de la constante cosmológica difieren de las mediciones experimentales en una magnitud tan impactante y enorme, que a menudo se la considera la peor predicción en la historia de la ciencia. Y como estos valores son proporcionados por los campos no unitables de la física, la teoría cuántica de campos y la relatividad general, respectivamente, encontrar un valor agradable para la constante, o incluso la razón por la cual los valores divergen tanto, podría ser la clave para encontrar una teoría cuántica. de gravedad

Antes de embarcarnos en ese viaje, primero conozcamos a nuestro Scrooge, el personaje central de este posible arco de redención. La constante cosmológica representa ahora, algo diferente de lo que representaba cuando se introdujo por primera vez.

La forma más fácil de entender lo que significa ahora es considerar que la energía oscura es la fuerza hipotética que separa al Universo como la manifestación física de la constante cosmológica. Como tal, resolver nuevamente el misterio de la constante cosmológica podría ser la clave para descubrir exactamente qué es la energía oscura y, a su vez, descubrir cuál será el destino final del Universo.

En muchos sentidos, la constante cosmológica se puede considerar como un contrapunto a la gravedad, un valor para una fuerza que repele cuando la gravedad atrae. Esto es algo que vincula su presente con su pasado.

¿El mayor error de Einstein?

A veces es alucinante considerar que el mayor problema de la física moderna es una resaca de 1917. Con todos los avances que hemos logrado en términos de comprensión de nuestro Universo, ¿cómo puede este pequeño elemento proporcionar tal desafío?

La clave para comprender por qué la constante cosmológica ha sido una espina clavada en el costado de la física es comprender cómo confundió al físico más grande que jamás haya existido, Albert Einstein.

La constante cosmológica, a menudo representada por la letra griega Lambda () , se añadió a las ecuaciones de campo de Einstein para equilibrar la fuerza de la gravedad. Esto se explica por el hecho de que si solo la gravedad actúa en el Universo como una fuerza de atracción, ¿cómo no puede estar encogiéndose? ¿Cómo se formó en absoluto, si toda la materia se une naturalmente?

Einstein sintió que sus ecuaciones de campo necesitaban un factor de repulsión para contrarrestar la fuerza de atracción de la gravedad, y si esto suena como una solución ad-hoc, es porque lo era. La constante cosmológica no solo era algo así como una solución arbitraria, sino que también hacía que las ecuaciones de campo fueran inestables. Una ligera variación debería, de acuerdo con estas ecuaciones revisadas, hacer que el Universo salga de su estado estático. Por ejemplo, si aumenta la separación, disminuye la atracción gravitacional y aumenta la repulsión, lo que da como resultado una mayor desviación del estado inicial.

Einstein fue influenciado para introducir la constante cosmológica por el hecho de que el consenso científico en 1917 era que el Universo era estático, ni se expandía ni se contraía y Einstein estaba de acuerdo con el consenso. Desafortunadamente, sus ecuaciones de campo no estaban de acuerdo.

Las ecuaciones de campo de la relatividad general no permitían un universo estático, prediciendo que el Universo debería estar contrayéndose o expandiéndose. Así, la primera función que tuvo la constante cosmológica fue la de proporcionar una presión negativa para contrarrestar la gravedad. El argumento que sustentaba esta adición era que incluso el espacio-tiempo vacío tiene una influencia gravitacional, la llamada energía del vacío.

Durante doce años, la constante cosmológica permaneció en las ecuaciones de campo, cumpliendo este papel. Pero, los problemas se estaban gestando en el horizonte, y por el horizonte, nos referimos al horizonte más distante imaginable, el borde mismo del Universo.

Nuestra comprensión del cosmos estaba a punto de cambiar para siempre

El problema del Hubble es un problema en expansión

Puede ser un poco difícil de creer hoy, pero hace solo 90 años entendíamos mucho menos sobre el cosmos y el Universo que nos rodea. La idea de miles de millones de galaxias fuera de nuestra Vía Láctea era casi inimaginable, al igual que la idea de que estas galaxias podrían alejarse unas de otras a medida que el espacio se expande. Asimismo, la idea de que el Universo pudiera haber inflado desde un punto infinitamente pequeño el concepto del Big Bang era pura fantasía.

En 1929, el artículo seminal de Edwin Hubble Una relación entre la distancia y la velocidad radial entre las nebulosas extragalácticas cambiaría este pensamiento para siempre. Hubble demostró que el Universo no era infinito ni en su alcance ni en su edad. En este artículo relativamente breve, el astrónomo presentó la primera evidencia observacional de que las galaxias distantes se están alejando de nosotros y, además, cuanto más distantes están, más rápidamente se alejan.

Un simple esbozo de un gráfico que muestra la velocidad frente a la distancia para galaxias distantes reveló una visión profunda sobre el Universo que nos rodea (Hubble, 1929)

Lo que Hubble no sabía cuando publicó su artículo de 1929 era que otros físicos ya habían proporcionado soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein que sus resultados confirmaron. Tanto Alexander Friedmann, cosmólogo ruso, como Georges Lemaitre, sacerdote católico, matemático, astrónomo y profesor de física, habían proporcionado soluciones a las ecuaciones de campo que mostraban un Universo en expansión. Incluso con esta base teórica, Einstein quería ver esta evidencia por sí mismo, ya que no estaba listo para desechar su constante cosmológica y aceptar un universo no estático.

Necesito ver esto por mí mismo. Einstein visita el observatorio Mount Wilson y conoce al Hubble. (CalTech)

El 29 de enero de 1931, Edwin Hubble se reunió con Einstein en el Monte Wilson y lo llevó a ver el famoso telescopio de 100 pulgadas donde el astrónomo había hecho la observación que condenó a la primera iteración de la constante cosmológica. Poco después, Einstein publicó su primer artículo con ecuaciones de campo revisadas que omiten lambda. Consideró la constante redundante ya que la relatividad podría explicar la expansión del Universo sin ella.

George Gamow, físico y cosmólogo, comentó en un artículo de Scientific American de 1956 y luego en su autobiografía, que Einstein le había confiado que la introducción de la constante cosmológica fue su mayor error. El comentario ahora ha pasado a la tradición que rodea al gran científico, y aunque no podemos estar seguros de que realmente lo haya dicho, es muy probable que lo creyera.

Sin embargo, a pesar del rechazo de Einstein de la constante cosmológica, muchos físicos aún no estaban listos para renunciar a este elemento de la relatividad general. Argumentaron que sin un término constante cosmológico, los modelos de la evolución del cosmos predecirían un universo con una edad más joven que las estrellas más viejas dentro de él.

Y aunque a Einstein no le conmovió este argumento, en 1998, 43 años después de su muerte, la constante cosmológica y el símbolo que la representa serían rescatados de la oscuridad y redactados para explicar un enigma nuevo pero relacionado.

La constante cosmológica moderna y la energía oscura.

Hay algo de agradable ironía en el hecho de que fue el descubrimiento de la expansión del Universo lo que envió la constante cosmológica a la basura y fue el descubrimiento igualmente importante de que esta misma expansión se está acelerando lo que la salvó.

Durante el tiempo de inactividad de las constantes cosmológicas, nuestra comprensión de los orígenes del Universo experimentó una revolución. Los cosmólogos pudieron deducir que las regiones del Universo ahora separadas por distancias inimaginables alguna vez estuvieron muy cerca. La idea de que el Universo se expandió en un período de rápida inflación desde un punto infinitamente pequeño, aunque este punto se volvería progresivamente más pequeño hasta la vasta entidad que vemos hoy, fue aceptada y denominada Big Bang.

Sin embargo, en 1998 se cuestionó la idea comúnmente aceptada de que este período de rápida inflación había dado paso a una tasa más estable.

Tres supernovas distantes de Tipo Ia, observadas por el Telescopio Espacial Hubble en 1997. Dado que las supernovas de Tipo Ia tienen la misma luminosidad, se utilizan para medir la energía oscura y sus efectos en la expansión del universo. Las imágenes inferiores son detalles de las amplias vistas superiores. Las supernovas de la izquierda y del centro ocurrieron hace unos cinco mil millones de años; la derecha, hace siete mil millones de años. ( Foto AURA/STScI/NASA/JPL (foto de la NASA # STScI-PRC9802a-js))

A mediados de los noventa, los cosmólogos habían utilizado soluciones a las ecuaciones de campo de la relatividad general para evaluar la geometría del Universo, determinando que es plano. Esto dejó algunos problemas por resolver. En un universo plano, deberíamos tener una densidad de materia/energía que coincida con un valor conocido como densidad crítica. Sin embargo, toda la materia y la energía que podemos observar representan solo un tercio de este valor. Además de este problema de falta de energía, el universo plano sufre un problema de edad cósmica, ¿por qué las estrellas más antiguas parecen mayores que la edad prevista de un universo plano?

La expansión del Universo, como se muestra en esta imagen, puede haber forzado a la constante cosmológica a una pausa, pero se acabó para siempre. C. FAUCHER-GIGURE, A. LIDZ Y L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47)

Una solución a estos problemas podría surgir si el Universo está lleno de un fluido de presión negativa, una energía oscura que explica el déficit de energía y proporciona una expansión acelerada que explicaría claramente que el Universo tarda más en alcanzar su estado actual. Para medir esta tasa cambiante de expansión, los investigadores necesitarían una herramienta que pudiera medir distancias cósmicas extraordinariamente grandes, de hasta 5 mil millones de años luz, de hecho.

En 1998, los astrónomos encontraron evidencia de tal fluido teórico a partir de las observaciones de los desplazamientos hacia el rojo de supernovas de Tipo Ia distantes pero increíblemente brillantes, a menudo denominadas velas estándar debido a su confiabilidad en la medición de distancias cósmicas. Y, por supuesto, los científicos necesitarían un símbolo para representar la energía oscura dentro de sus ecuaciones. Como la cosmología ya tenía tal representación de la presión negativa, ¿por qué no simplemente resucitarla y colocarla de nuevo en las ecuaciones de la relatividad general?

Pero, dada su historia, no deberían haberse sorprendido de que volver a emplear la constante cosmológica traería nuevos problemas.

Todavía loco después de todos estos años

Los nuevos problemas con la constante cosmológica reflejan en gran medida los principales obstáculos dentro de la física tal como se encuentra actualmente. Mientras se producían revoluciones a escalas increíblemente grandes gracias a la cosmología, nuestra comprensión de lo increíblemente pequeño florecía gracias al éxito de la física cuántica.

El problema surge del hecho de que la física cuántica y en particular la teoría cuántica de campos y la relatividad general no pueden reconciliarse, no existe una teoría de la gravedad cuántica.

Si somos creativos y un poco caprichosos, tal vez podríamos darle a esta lucha por unificar estas disciplinas un valor de 10, la magnitud entre la cual se encuentran las teorías cuánticas de campos, la predicción teórica de la constante cosmológica y el valor observado proporcionado por la cosmología. Esta enorme disparidad, a menudo descrita como la peor predicción teórica en la historia de la ciencia, surge del hecho de que la teoría cuántica de campos predice que las partículas virtuales aparecen y desaparecen en todo momento, una idea que puede sonar ridícula pero que se ha verificado experimentalmente incluso en el mundo. vacío del espacio. Por lo tanto, las partículas deberían tener un efecto medible en la energía del vacío que impulsa la expansión del Universo, pero los cosmólogos no miden tal efecto al observar los desplazamientos al rojo de las supernovas de Tipo Ia.

Prácticamente imposible: un par de partículas virtuales, una con carga positiva y otra con carga negativa, aparecen brevemente y desaparecen. Tales partículas deberían tener un efecto en la expansión del Universo según la teoría cuántica de campos.

Hay, por supuesto, soluciones. La energía oscura podría estar asociada con algún campo, aún no descubierto, que llena el espacio de una manera similar al campo de Higgs del que emerge el bosón de Higgs recientemente descubierto. O tal vez otras constantes que ocupan un lugar indiscutible en nuestras ecuaciones de gravedad no son constantes en absoluto sino que varían con el tiempo, como sugiere el cosmólogo Lucas Lombriser de la Universidad de Ginebra. Las soluciones más extremas se encuentran en la sugerencia de que la teoría de la gravedad de Einstein debe modificarse para dar cuenta de la energía oscura, aunque esta familia de teorías, MONDS, está perdiendo constantemente el favor de la comunidad física.

Cualquiera que sea la solución a este problema, tiene un impacto notable en el futuro del Universo. Determinar el verdadero valor de la constante cosmológica y la fuerza de la energía oscura que impulsa esta expansión acelerada nos dirá en última instancia si el destino final del Universo es desgarrarse o aplastarse violentamente.

Ya sea por Big Rip o Big Crunch, el final del Universo estará determinado por el valor de la constante cosmológica. Un valor que todavía nos sigue eludiendo y confundiendo tanto como a Einstein.

Fuentes

Ta-Pei Cheng, Relatividad, Gravitación y Cosmología, Oxford Press, (2010).

Robert Lambourne, Stephen Serjeant, Mark Jones, Introducción a las galaxias y la cosmología, Cambridge Press, (2015).

Frank Close, La Nueva Cebolla Cósmica, Taylor &Francis, (2007).

Cormac ORaifeartaigh, Investigando la leyenda del mayor error de Einstein, Physics Today, (2018)

Matts Roos, Introducción a la Cosmología, Wiley, (2003).

"