Problema de la constante cosmológica

Más allá del modelo estándar
Datos simulados del detector de partículas CMS del Gran Colisionador de Hadrones que muestran un bosón de Higgs producido por la colisión de protones que se desintegran en chorros de hadrones y electrones
Modelo estándar
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En cosmología , el problema de la constante cosmológica o catástrofe del vacío es el desacuerdo sustancial entre los valores observados de la densidad de energía del vacío (el pequeño valor de la constante cosmológica ) y el valor teórico mucho mayor de la energía del punto cero sugerido por la teoría cuántica de campos .

Dependiendo del límite de energía de Planck y otros factores, se calcula que la contribución de la energía del vacío cuántico a la constante cosmológica efectiva es entre 50 y 120 órdenes de magnitud mayor que la observada, ^{[1] [2]} un estado de cosas descrito por los físicos como "la mayor discrepancia entre la teoría y el experimento en toda la ciencia" ^[1] y "la peor predicción teórica en la historia de la física". ^[3]

El problema básico de la energía del vacío que produce un efecto gravitatorio fue identificado ya en 1916 por Walther Nernst . ^{[4] [5] [6]} Él predijo que el valor tenía que ser cero o muy pequeño. En 1926, Wilhelm Lenz concluyó que "si se permiten ondas de las longitudes de onda observadas más cortas λ ≈ 2 × 10 ⁻¹¹ cm, ... y si esta radiación, convertida en densidad material ( u / c ² ≈ 10 ⁶ ), contribuyera a la curvatura del universo observable, se obtendría una densidad de energía del vacío de un valor tal que el radio del universo observable no llegaría ni siquiera a la Luna". ^{[7] [6]}

Después del desarrollo de la teoría cuántica de campos en la década de 1940, el primero en abordar las contribuciones de las fluctuaciones cuánticas a la constante cosmológica fue Yakov Zeldovich en la década de 1960. ^{[8] [9]} En mecánica cuántica, el vacío en sí mismo debería experimentar fluctuaciones cuánticas. En la relatividad general, esas fluctuaciones cuánticas constituyen energía que se sumaría a la constante cosmológica. Sin embargo, esta densidad de energía del vacío calculada es muchos órdenes de magnitud mayor que la constante cosmológica observada. ^[10] Las estimaciones originales del grado de desajuste eran tan altas como 120 a 122 órdenes de magnitud; ^{[11] [12]} sin embargo, la investigación moderna sugiere que, cuando se tiene en cuenta la invariancia de Lorentz , el grado de desajuste está más cerca de 60 órdenes de magnitud. ^{[12] [13]}

Con el desarrollo de la cosmología inflacionaria en la década de 1980, el problema se volvió mucho más importante: como la inflación cósmica está impulsada por la energía del vacío, las diferencias en el modelado de la energía del vacío conducen a enormes diferencias en las cosmologías resultantes. Si la energía del vacío fuera exactamente cero, como se creía antes, entonces la expansión del universo no se aceleraría como se observa, según el modelo estándar Λ-CDM . ^[14]

La energía de vacío calculada es una contribución positiva, en lugar de negativa, a la constante cosmológica porque el vacío existente tiene una presión mecánica cuántica negativa , mientras que en la relatividad general , el efecto gravitacional de la presión negativa es una especie de repulsión. (La presión aquí se define como el flujo de momento mecánico cuántico a través de una superficie). Aproximadamente, la energía de vacío se calcula sumando todos los campos mecánicos cuánticos conocidos, teniendo en cuenta las interacciones y autointeracciones entre los estados fundamentales, y luego eliminando todas las interacciones por debajo de una longitud de onda de "corte" mínima para reflejar que las teorías existentes se descomponen y pueden dejar de ser aplicables alrededor de la escala de corte. Debido a que la energía depende de cómo interactúan los campos dentro del estado de vacío actual, la contribución de la energía de vacío habría sido diferente en el universo temprano; por ejemplo, la energía de vacío habría sido significativamente diferente antes de la ruptura de la simetría electrodébil durante la época de los quarks . ^[12]

La energía del vacío en la teoría cuántica de campos se puede fijar en cualquier valor mediante la renormalización . Esta perspectiva trata la constante cosmológica como simplemente otra constante física fundamental no predicha ni explicada por la teoría. ^[15] Una constante de renormalización de este tipo debe elegirse con mucha precisión debido a la discrepancia de muchos órdenes de magnitud entre la teoría y la observación, y muchos teóricos consideran que esta constante ad hoc es equivalente a ignorar el problema. ^[1]

La densidad de energía del vacío del Universo basada en mediciones de 2015 realizadas por la colaboración Planck es ρ _vac =5,96 × 10 ⁻²⁷  kg/ ^m3 ≘5,3566 × 10 ⁻¹⁰  J/ ^m3 =3,35 GeV/m ^{3 [16] [nota 1]} o aproximadamente2,5 × 10 ⁻⁴⁷  GeV ⁴ en unidades geometrizadas .

Una evaluación, realizada por Jérôme Martin del Instituto de Astrofísica de París en 2012, situó la escala teórica de energía de vacío esperada alrededor de 10 ⁸ GeV ⁴ , para una diferencia de unos 55 órdenes de magnitud. ^[12]

Algunas propuestas implican modificar la gravedad para divergir de la relatividad general. Estas propuestas se enfrentan al obstáculo de que los resultados de las observaciones y experimentos hasta ahora han tendido a ser extremadamente consistentes con la relatividad general y el modelo ΛCDM, e inconsistentes con las modificaciones propuestas hasta ahora. Además, algunas de las propuestas son posiblemente incompletas, porque resuelven el "nuevo" problema de la constante cosmológica al proponer que la constante cosmológica real es exactamente cero en lugar de un número minúsculo, pero no logran resolver el "viejo" problema de la constante cosmológica de por qué las fluctuaciones cuánticas parecen no producir energía de vacío sustancial en primer lugar. Sin embargo, muchos físicos argumentan que, debido en parte a la falta de mejores alternativas, las propuestas para modificar la gravedad deberían considerarse "una de las rutas más prometedoras para abordar" el problema de la constante cosmológica. ^[17]

Bill Unruh y sus colaboradores han argumentado que cuando la densidad de energía del vacío cuántico se modela con mayor precisión como un campo cuántico fluctuante, el problema de la constante cosmológica no surge. ^[18] Yendo en una dirección diferente, George FR Ellis y otros han sugerido que en la gravedad unimodular, las contribuciones problemáticas simplemente no gravitan. ^{[19] [20]} Recientemente, se ha propuesto un principio de acción totalmente invariante al difeomorfismo que da las ecuaciones de movimiento para la gravedad de Einstein sin trazas, donde la constante cosmológica emerge como una constante de integración. ^[21]

Otro argumento, debido a Stanley Brodsky y Robert Shrock, es que en la cuantificación del frente de luz , el vacío de la teoría cuántica de campos se vuelve esencialmente trivial. En ausencia de valores esperados del vacío, no hay contribución de la electrodinámica cuántica , las interacciones débiles y la cromodinámica cuántica a la constante cosmológica. Por lo tanto, se predice que será cero en un espacio-tiempo plano . ^{[22] [23]} A partir de la percepción de la cuantificación del frente de luz , el origen del problema de la constante cosmológica se remonta a términos no físicos no causales en el cálculo estándar, que conducen a un valor erróneamente grande de la constante cosmológica. ^[24]

En 2018, se propuso un mecanismo para cancelar Λ mediante el uso de un potencial de ruptura de simetría en un formalismo lagrangiano en el que la materia muestra una presión que no desaparece. El modelo supone que la materia estándar proporciona una presión que contrarresta la acción debida a la constante cosmológica. Luongo y Muccino demostraron que este mecanismo permite tomar la energía del vacío como predice la teoría cuántica de campos , pero eliminando la enorme magnitud a través de un término de contrapeso debido únicamente a los bariones y a la materia oscura fría . ^[25]

En 1999, Andrew Cohen, David B. Kaplan y Ann Nelson propusieron que las correlaciones entre los límites de UV e IR en la teoría cuántica de campos efectiva son suficientes para reducir la constante cosmológica teórica hasta la constante cosmológica medida debido al límite de Cohen-Kaplan-Nelson (CKN). ^[26] En 2021, Nikita Blinov y Patrick Draper confirmaron a través del principio holográfico que el límite de CKN predice la constante cosmológica medida, todo ello manteniendo las predicciones de la teoría de campos efectiva en condiciones menos extremas. ^[27]

Algunos proponen una solución antrópica, ^[28] y argumentan que vivimos en una región de un vasto multiverso que tiene diferentes regiones con diferentes energías de vacío. Estos argumentos antrópicos postulan que solo las regiones de pequeña energía de vacío como aquella en la que vivimos son razonablemente capaces de soportar vida inteligente. Tales argumentos han existido en alguna forma desde al menos 1981. Alrededor de 1987, Steven Weinberg estimó que la energía de vacío máxima permitida para que se formen estructuras ligadas gravitacionalmente es problemáticamente grande, incluso dados los datos de observación disponibles en 1987, y concluyó que la explicación antrópica parece fallar; sin embargo, estimaciones más recientes de Weinberg y otros, basadas en otras consideraciones, encuentran que el límite está más cerca del nivel observado real de energía oscura. ^{[29] [30]} Los argumentos antrópicos gradualmente ganaron credibilidad entre muchos físicos después del descubrimiento de la energía oscura y el desarrollo del panorama teórico de la teoría de cuerdas , pero aún son ridiculizados por una porción escéptica sustancial de la comunidad científica por ser problemáticos de verificar. Los defensores de las soluciones antrópicas están divididos en múltiples cuestiones técnicas sobre cómo calcular la proporción de regiones del universo con diversas constantes de energía oscura. ^{[29] [17]}

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• Catástrofe ultravioleta  : predicción de la física clásica de que la radiación del cuerpo negro crece sin límites con la frecuencia

• O'Dowd, Matt (24 de enero de 2019). "La crisis en la cosmología". PBS Spacetime . Archivado desde el original el 20 de diciembre de 2021 – vía YouTube .
• "La peor predicción de la física". YouTube . Fermilab . 14 de marzo de 2024.(vídeo de Don "Dr. Don" Lincoln del Fermilab )