Eugenio Bianchi y Carlo Rovelli: ¿Es la energía oscura realmente un misterio?

El Universo está en expansión y la expansión parece estar acelerándose. Esta aceleración se explica a menudo usando una substancia misteriosa, la “energía oscura.” Para Eugenio Bianchi y Carlo Rovelli no hay ningún misterio en esta aceleración cósmica. La constante cosmológica de Einstein la explica perfectamente. La aceleración cósmica es predicha por la teoría de la relatividad general cuando se toma una constante cosmológica no nula, Λ. El modelo cosmológico estándar, con materia oscura y constante cosmológica, denotado por las siglas (ΛCDM), es “aceptado por casi todos los cosmólogos como la mejor descripción actual de los datos disponibles.” Hay una confusión histórica y conceptual profunda entre quienes creen que el término Λ requiere una explicación a base de una misteriosa “energía oscura.” Bianchi y Rovelli nos ofrecen una respuesta a las tres objeciones (prejuicios) más habituales hacia la constante cosmológica (Λ). Rocky Kolb les contesta con la respuesta oficial. Todo ello en Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli, Rocky Kolb, “Cosmology forum: Is dark energy really a mystery?,” Nature 466: 321–322, 15 July 2010. Los interesados en una exposición más detalla de sus argumentos pueden recurrir a “Why all these prejudices against a constant?,” ArXiv, 21 Feb 2010. Algunos artículos recientes les dan la razón, como Roland Triay, “Dark Energy: fiction or reality?,” ArXiv, 1 Apr 2010. Aunque tienen en contra al resto de la comunidad científica.

La primera objeción se conoce como “Λ es el error de Einstein.” Se afirma que Λ fue rechazada por los relativistas en general, y de hecho por el propio Einstein, que la calificó como más tarde como su “mayor error.” Pero muchos olvidan que la “metedura de pata” de Einstein no fue Λ, sino constatar que, con o sin Λ, el Universo no es estático. La teoría de la relatividad general predice la expansión cósmica y el error de Einstein fue no darse cuenta. La constante cosmológica Λ no es un añadido a la teoría de Einstein para dar cuenta de las observaciones, sino una parte integrante y natural de la misma. Su naturaleza y su escala (valor) no son ni más ni menos misteriosas que los de cualquiera de las constantes que aparecen en nuestras teorías físicas fundamentales.

La segunda objeción se denomina el “problema de la coincidencia cósmica.” Los datos cosmológicos indican que nos ha tocado vivir en un “corta” fase de la historia del universo, durante la cual las contribuciones a la dinámica cósmica de la materia y de Λ son comparables en magnitud. Esta “coincidencia improbable” se presenta como un argumento en contra de la hipótesis Λ en el modelo ΛCDM. Ahora bien, si miramos la evolución del universo en función del tiempo cósmico en una escala lineal, en lugar de la habitual escala logarítmica, se puede ver que esta “corta” fase dura la mitad de la vida del Universo hasta el momento actual y por tanto no hay ninguna “improbable” coincidencia. En cualquier caso, no debemos asumir que vivimos en un lugar del Universo y en un momento completamente aleatorios. La densidad a nuestro alrededor, por ejemplo, está muy lejos de la densidad cósmica promedio.

La tercera y última ojeción se refiere a la “energía del vacío.” La teoría cuántica de campos (QFT ) predice una energía del vacío que se suma a la fuerza cósmica debida a Λ (similar al efecto del vacío sobre las líneas espectrales de los elementos atómicos, las llamadas correcciones radiactivas). Esta contribución a la hipotética Λ es mucho mayor que la Λ observada. Esta discrepancia es un rompecabezas abierto en la QFT en presencia de gravedad. Pero es un error conceptual confundir Λ con la energía del vacío de la QFT . La constante cosmológica Λ no se puede confundir con nuestra incomprensión de la energía del vacío en QFT o con cualquier otra substancia misteriosa . La constante Λ es una especie de “curvatura del punto cero,” una fuerza de repulsión causada por la dinámica intrínseca del espaciotiempo. Buscarle cinco patas al gato no nos lleva a entender por qué el gato tiene cuatro patas.

Bianchi y Rovelli opinan que el modelo ΛCDM debe continuar siendo explorado mediante los experimentos y se deben seguir ofreciendo ideas alternativas que lo complementen, pero en su opinión, y en la de muchos físicos relativistas, es algo engañoso afirmar que la energía oscura es un “gran misterio.” Es un grave error hablar de una “substancia” al referirse a la “energía oscura,” es como afirmar que si nos apetece salir a la calle para dar una vuelta es porque una “misteriosa fuerza oscura” nos empuja a hacerlo.

Como no hay dos sin tres, ni dos sin un tercero en discordia, también tenemos que exponer la opinión de Rocky Kolb, para quien la energía oscura sí es un gran misterio aún por resolver.

El modelo ΛCDM es el modelo cosmológico más completo, más exitoso y con mayor poder predictivo que jamás ha sido diseñado. Un modelo capaz de dar cuenta de un enorme número de observaciones astronómicas y cosmológicas. En la actualidad, no existen observaciones discrepantes con el modelo ΛCDM. Pero su éxito tiene un precio. Solo el 5% de la masa-energía total del Universo observable es comprendida por dicho modelo. El 95% del Universo es “oscuro,” en el sentido de que no lo entendemos completamente. El lado oscuro incluye el 25% de la masa-energía total, en forma de la llamada materia oscura que conforme la estructura de las galaxias y de los cúmulos galácticos, y el 70% en forma de energía oscura, responsable de la aceleración de la expansión cósmica.

Los cosmólogos se refieren generalmente a la materia oscura y a la energía oscura como misterios cósmicos. No estoy de acuerdo con Bianchi y Rovelli quienes argumentan que la energía oscura puede ser explicada invocando una nueva constante de la naturaleza, la constante cosmológica. Afirman que se trata de una explicación simple y aceptable. No estoy de acuerdo. En mi opinión, una constante cosmológica es un misterio en el sentido de que es “algo cuyo origen no se entiende o está más allá de la comprensión actual.” La constante cosmológica de Einstein Λ es la explicación más simple para la energía oscura: se ajusta a los datos adecuadamente y no hay razón para excluir su presencia, sin embargo, su valor para explicar las observaciones está “más allá de [nuestro ] entendimiento.” Si la constante cosmológica es la explicación para la energía oscura, Λ deberán tener un valor de (1028 cm)-2, pero la longitud 1028 cm es absurdamente grande y por el momento no está relacionada de ningún modo conocido con ninguna escala de longitud observable en la naturaleza. Todos los intentos de explicar esta nueva escala de longitud han sido infructuosos en muchos órdenes de magnitud.

No podemos conformarnos con añadir una constante al modelo que permita reproducir las observaciones, debemos encontrar una explicación para dicha constante y para su valor. Todas las constantes de los modelos cosmológicos deben estar basadas en las leyes de la naturaleza que comprendemos. Ahora mismo, la magnitud de la constante cosmológica no se puede explicar por ninguna teoría física conocida. Por ello es un misterio aún por resolver: “el misterio de la energía oscura.”

Kolb acaba recordando la frase del astrofísico Tommy Gold: “no es un error pensar que para cada fenómeno físico complejo hay una explicación simple.” Sería un error quedarnos satisfechos con la constante cosmológica sólo porque es una explicación sencilla a la aceleración de la expansión cósmica.

5 Comentarios

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Antonio Alfonso FausAntonio Alfonso Faus

Hola. Verdaderamente muy interesante. Yo me atrevo a adelantar que en mi opinión la energía oscura no está relacionada directamente con la constante cosmológica lambda. Por otra parte la discrepancia entre el resultado cosmológico del valor de lambda y el valor predicho por la teoría estándard de las partículas fundamentales, una discrepancia de unos 122 órdenes de magnitud, puede ser debido simplemente al cambio de escala, como he presentado en el artículo siguiente

arXiv:0811.3933
Title: Artificial contradiction between cosmology and particle physics: the lambda problem
Authors: Antonio Alfonso-Faus
Comments: 7 pages
Journal-ref: Astrophys.Space Sci.321:69-72,2009

En realidad la discrepancia de 122 ordenes de magnitud es simplemente el cuadrado de las dos escalas: la cosmológica de 10^28 cm y la de Planck de 10^(-33) cm

Antonio Alfonso-Faus

Antonio Alfonso FausAntonio Alfonso Faus

Hola Francis. Quizás me puedas ayudar. He intentado conseguir en mi universidad el artículo que citas “Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli, Rocky Kolb, “Cosmology forum: Is dark energy really a mystery?,” Nature 466: 321–322, 15 July 2010″ y es demasiado pronto, no lo han recibido todavía. Lo peor es que seguramente lo recibirán en Agosto, por lo que no lo tendré por lo menos hasta Septiembre. ¿Alguna sujerencia? Muchas gracias.

Antonio

José A. BrunoJosé A. Bruno

Estimados amigos:

Lo que les voy a comentar me viene preocupando desde hace varios años, y es lo siguiente: cada vez que veo un dibujo representando la expansión del universo, sólo veo que las que se separan son las galaxias entre si, pero no observo que las galaxias se agranden (es que el espacio entre estrellas no sufre ninguna dilatación?) En este mismo artículo las galaxias tienen el mismo tamaño.
Si bien entiendo que cuanto más próximos están los cuerpos menos se nota la dilatación del espacio, pero me resulta llamativo que ni si quiera se menciona en los libros y artículos relacionados con el tema.
Estimo que seremos muchos los que tenemos esta duda.
Atentos saludos.
Ing. José A. Bruno

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