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El problema de la constante cosmológica

El ínfimo valor de este parámetro fundamental de la naturaleza constituye uno de los mayores enigmas de la física contemporánea. ¿Qué dice la investigación actual?

La constante cosmológica, un término introducido por Einstein en 1917 en sus ecuaciones de la relatividad general, conecta varios conceptos clave, como la energía del vacío cuántico y la expansión acelerada del universo. Sin embargo, hasta hoy nadie ha sido capaz de explicar su ínfimo valor: un misterio que a menudo ha sido calificado como el mayor problema abierto de la física teórica. Getty Images/StationaryTraveller y Julia Krupenina/iStock, modificado por IyC.

En síntesis

La constante cosmológica es un parámetro que aparece en las ecuaciones de la gravedad de Einstein y que puede entenderse como asociado a una forma de energía que impregna todo el espacio. Hasta hace poco, se pensaba que valía exactamente cero.

El descubrimiento de la expansión acelerada del universo demostró que dicho parámetro era muy pequeño pero no nulo. Sin embargo, la explicación teórica considerada más natural predice un valor muchísimos órdenes de magnitud mayor.

El enigma conecta varios conceptos clave de la física fundamental, como la energía del vacío cuántico o la energía oscura. Varios experimentos y observaciones actuales o proyectados aspiran a ofrecer las primeras pistas para resolverlo.

Incluso donde parece que no debería haber nada, hay algo. Si, después de haber eliminado todos los planetas, las estrellas y las galaxias, examináramos con un potente microscopio el espacio vacío, es posible que esperásemos ver la nada más absoluta. Sin embargo, esta conclusión sería errónea. En su lugar, descubriríamos una escena dinámica, rebosante de partículas que cobran vida por un instante y desaparecen de inmediato.

La mecánica cuántica, la teoría que gobierna el mundo microscópico, no permite la nada. No hay ningún punto del espacio o el tiempo donde la energía pueda valer exactamente cero. La naturaleza siempre se reserva un pequeño «margen de maniobra». Y de él pueden surgir partículas virtuales: pares formados por una partícula y su antipartícula que, tan pronto como aparecen, se aniquilan y se esfuman de nuevo. Todo esto podrá sonar extraño, pero hace tiempo que los efectos de las partículas virtuales se observan en los experimentos. Por ejemplo, cuando los aceleradores de partículas midieron la masa del bosón Z, esta difería ligeramente del que debía ser su valor «puro». Ello se debe a que un bosón Z puede convertirse brevemente en una pareja de quarks top virtuales, lo que modifica su masa. Este fenómeno no es sino uno de los muchos que demuestran la existencia de las partículas virtuales.

Todas esas partículas que aparecen y desaparecen dan lugar a una «energía del vacío» que inunda el cosmos y que empuja hacia afuera el propio espacio. Al menos, esa es la explicación considerada más probable de la energía oscura, el misterioso agente responsable de la expansión acelerada del universo.

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. Obviamente eso no ha ocurrido, por lo que la energía del vacío ha de ser mucho menor. En concreto, unos 120 órdenes de magnitud menor de lo que predice la teoría cuántica. Eso equivale a decir que algo que debería pesar 5 kilos pesa en realidad 0,00...005, con 120 ceros antes del 5. Semejante discrepancia ha llevado a algunos científicos a calificar dicho cálculo como «la peor predicción teórica de la historia de la física».

Los investigadores también creen que la energía del vacío es el principal ingrediente de la constante cosmológica, un término presente en las ecuaciones de la relatividad general. El enorme desacuerdo entre el valor predicho y el observado se conoce también como «problema de la constante cosmológica». «En general, está considerado uno de los problemas más incómodos, embarazosos y complejos de la física teórica actual», señala Antonio Padilla, físico de la Universidad de Nottingham que ha dedicado 15 años a estudiarlo. «Indica que a nuestro relato le falta algo. Me parece emocionante, ¿quién no querría trabajar en algo así?»

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