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  • 09/01/2017

Física teórica

El problema de la constante cosmológica podría ser mucho peor de lo que se pensaba

Ciertos modelos de energía oscura tornarían inviables algunas de las propuestas que intentan explicar su valor a partir de la existencia de muchos universos.

Physical Review Letters

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¿Puede la existencia de muchos universos explicar el valor observado de la constante cosmológica? [Pobytov/iStock]

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¿De qué está hecho el 95 por ciento del cosmos?Hace años que los físicos saben que todos los átomos y toda la luz que existen el universo apenas dan cuenta del 5 por ciento de su contenido total de materia y energía. El 95 por ciento restante se compone de dos misteriosos agentes que, a falta de un nombre mejor, han dado en llamarse «materia oscura» y «energía oscura». Dominan el cosmos, pero ¿cuál es su naturaleza? En este número podrás encontrar una panorámica clara y rigurosa del estado actual de dos líneas de investigación que, casi como ninguna otra, evidencian lo mucho que aún nos queda por aprender sobre el universo y las leyes fundamentales que lo rigen.

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La energía oscura es el agente responsable de la expansión acelerada del universo. Aunque su naturaleza se desconoce por completo, la densidad de esta forma de energía queda determinada por la constante cosmológica: un parámetro de las ecuaciones de Einstein que, entre otras posibilidades, puede interpretarse como la energía del vacío. Sin embargo, hace años que los expertos saben que esta posibilidad se topa con un gran obstáculo: según todos los cálculos en física de partículas, la energía del vacío cuántico debería ser entre 60 y 120 órdenes de magnitud mayor que el valor observado de la constante cosmológica. En otras palabras, ¿por qué un parámetro de la naturaleza que, en ciertas unidades naturales, debería valer 1, vale 0,0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000000  0000000001? 

Otros modelos intentan explicar la energía oscura en términos de un campo físico: uno capaz de evolucionar en el tiempo e incluso de interaccionar con las partículas de materia. De ser el caso, ¿podrían esas interacciones explicar el valor de la constante cosmológica? Según un trabajo reciente firmado por M. C. David Marsh, físico de la Universidad de Cambridge, la respuesta es un rotundo «no»: lejos de resolver el problema, tales modelos aumentarían su magnitud hasta niveles excepcionales. Los resultados han sido publicados en Physical Review Letters.

Que la energía del vacío adopte un valor 120 órdenes de magnitud menor de lo que cabría esperar a partir de las leyes cuánticas no es imposible, pero sí muy improbable: para que eso ocurriese, las leyes fundamentales de la naturaleza tendrían que estar ajustadas con una precisión casi inverosímil. Pero, además, el valor observado de la constante cosmológica presenta otra intrigante propiedad: su magnitud parece haber sido cuidadosamente afinada para permitir la existencia de vida en el universo. En los años ochenta, el premio nóbel Steven Weinberg argumentó que, si la constante cosmológica fuese significativamente mayor, el universo temprano se habría expandido tan rápido que las galaxias, los planetas y la vida nunca habrían tenido tiempo de formarse.

Esa situación ha llevado a varios expertos a proponer la existencia del multiverso: si el universo observable no fuese más que una «burbuja» de muchas posibles, y si en cada una de ellas la constante comológica tomase un valor distinto, antes o después aparecerían universos en los que dicha constante adoptaría un valor similar al que observamos, por extravagante que este parezca. Y, por supuesto, nosotros solo podríamos vivir en uno de ellos, ya que en los demás no habría galaxias, planetas ni seres inteligentes que intentasen entender la energía oscura. Esta observación se funda en una línea de razonamiento conocida como «principio antrópico»: según ella, nuestra sola existencia implica que las leyes fundamentales de la física han de ser tales que permitan la aparición de vida inteligente.

La idea del multiverso aparece también en las teorías de la inflación cósmica y, de manera independiente, en la teoría de cuerdas. En concreto, esta última parece permitir la existencia de un conjunto descomunal de universos posibles, cada uno de los cuales haría gala de sus propias leyes físicas. No obstante, en todo ello hay una condición implícita: para que esa gigantesca cantidad de universos pueda resolver de manera natural el problema de la constante cosmológica, su número tendría que poder dar cabida a la bajísima probabilidad de que dicha constante tome un valor próximo al que observamos. Por emplear un símil sencillo, si hablásemos de la probabilidad de lanzar un conjunto muy grande de monedas y obtener 400 caras, para lograrla tendríamos que disponer de, al menos, 400 monedas.

En su trabajo, Marsh argumenta que, en los modelos en los que la energía oscura viene dada por un campo dinámico que interacciiona con la materia, el ajuste fino necesario para recuperar el valor observado de la constante cosmológica sería descomunal: hasta de una parte entre 1010.000.000.000. Sin embargo, los cálculos más audaces en teoría de cuerdas solo parecen permitir unos 10272.000 universos posibles: un número fantástico pero que, aun así, sigue quedándose extrarodinariamente pequeño para explicar la emergencia de un cosmos como el que conocemos.

En los próximos años, varios proyectos experimentales intentarán determinar si la energía oscura corresponde o no a un campo físico variable y capaz de interaccionar con la materia. El autor concluye que, si tales modelos se viesen confirmados empíricamente, el resultado invalidaría las soluciones antrópicas al problema de la constante cosmológica basadas en el multiverso de la teoría de cuerdas, lo que supondría una posibilidad de falsarlos.

Más información en Physical Review Letters. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.

—IyC

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