Constante cosmológica

En relatividad general, la constante cosmológica (denotada usualmente
por Lambda, ) es una constante propuesta por Albert Einstein como una modificación de
su ecuación original del campo gravitatorio para conseguir una solución que diera un universo
estático. Einstein rechazó esta idea una vez que el corrimiento observado por Edwin
Hubble sugirió que el universo no era estático. Sin embargo, el descubrimiento de
la aceleración cósmica en la década de 1990 ha renovado el interés en la constante
cosmológica.
Ecuación
La constante cosmológica
aparece en las ecuaciones de Einstein como:
Cuando
es cero, estas se reducen a la ecuación tradicional de la relatividad general. Las
observaciones astronómicas implican que su valor satisface:
Aunque Einstein introdujo la constante cosmológica como un término independiente en las
ecuaciones del campo gravitatorio, de hecho, éste puede ser interpretado como una energía o
presión negativa del vacío. Si se supone que el vacío viene representado por un tensor de
energía-impulso dado por:
La constante cosmológica es entonces equivalente a una densidad de energía negativa
intrínseca del vacío:
Con su presión negativa asociada. Es frecuente citar los valores de esta densidad de energía
directamente como constante cosmológica, aunque en cosmología se suele tomar el signo
contrario para la definición de , lo que arroja un valor positivo (ver más abajo).
Una constante cosmológica positiva resulta en una densidad de energía positiva y en una
presión negativa. La expansión acelerada del universo puede ser atribuida a la presencia de
esta energía del vacío diferente de cero.
Historia
La constante cosmológica fue introducida inicialmente por Einstein en 1915 para lograr un
universo estático, que coincidía con la concepción del universo reinante en su tiempo. Sus
ecuaciones originales no permitían un universo estático: la gravedad lleva a un universo
inicialmente en equilibrio dinámico a contraerse. Sin embargo, después de desarrollar su
solución estática, Edwin Hubble sugirió en 1929 que el universo parecía estar en expansión.
Esto era perfectamente consistente con las soluciones a las ecuaciones originales,
descubiertas por el matemático Friedman en 1922 y luego por el físico Georges Lemaître,
quien, independientemente, encontró una solución similar en 1927.
Se sabe ahora que el universo estático encontrado por Einstein es inestable. A pesar de estar
en equilibrio, cualquier pequeña perturbación lo haría implosionar o expandirse de nuevo.
Al contrario que el resto de la relatividad general, esta nueva constante no se justificaba para
nada, y fue introducida exclusivamente con el fin de obtener el resultado que en la época se
pensaba era el apropiado. Cuando se presentó la evidencia de la expansión de universo, se
cree que Einstein llegó a declarar que la introducción de dicha constante fue el «peor error de
su carrera». La frase “el mayor error” o “la mayor metedura de pata” (en inglés “the biggest
blunder“), en relación a la constante cosmológica y Einstein, fue escrita por primera vez por el
físico George Gamow en un artículo publicado en septiembre de 1956 en la revista Scientific
American (Einstein murió en abril de 1955). Gamow repitió esta frase varias veces en otros
textos y gracias a ello se popularizó esta cita apócrifa como si fuera del propio Einstein. Sin
embargo, la constante cosmológica permaneció como un problema de interés teórico y
experimental (ver más abajo).
Constante cosmológica positiva
Observaciones realizadas a finales de la década de 1990 de las relaciones distanciacorrimiento al rojo indicaron que la expansión del universo es acelerada. Combinadas con
medidas del fondo cósmico de microondas, arrojaron un valor de
. Existen
otras causas posibles para esta expansión acelerada, como la quintaesencia, pero la
constante cosmológica dentro del modelo estándar cosmológico Lambda-CDM es la solución
más simple.
El problema de la constante cosmológica
Uno de los mayores desafíos de la física teórica es comprender la predicción genérica de
las teorías cuánticas de campos de un valor enorme de la constante cosmológica.
Esta conclusión se sigue de un poco de análisis dimensional en teorías de campo efectivas. Si
el universo está descrito por una teoría cuántica de campos efectiva hasta energías del orden
de la masa de Planck, se esperaría que
fuera del orden de
, que es 120 órdenes de
magnitud (
) más grande que el valor medido. Esta discrepancia ha sido calificada como
«la peor predicción en la historia de la física