En cosmología, la constante cosmológica (generalmente denotada por la letra mayúscula griega lambda : Λ), alternativamente llamada constante cosmológica de Einstein, es el coeficiente constante de un término que Albert Einstein agregó temporalmente a sus ecuaciones de campo de la relatividad general. Más tarde se lo quitó. Mucho más tarde fue revivido y reinterpretado como la densidad de energía del espacio, o energía del vacío, que surge en la mecánica cuántica. Está estrechamente asociado con el concepto de energía oscura.
Einstein introdujo originalmente la constante en 1917 para contrarrestar el efecto de la gravedad y lograr un universo estático, una noción que era la opinión aceptada en ese momento. Einstein abandonó la constante en 1931 después de la confirmación de Hubble de la expansión del universo. Desde la década de 1930 hasta finales de la de 1990, la mayoría de los físicos estuvieron de acuerdo con la retractación de Einstein, asumiendo que la constante cosmológica es igual a cero. Eso cambió con el sorprendente descubrimiento en 1998 de que la expansión del universo se está acelerando, lo que implica la posibilidad de un valor positivo distinto de cero para la constante cosmológica.
Desde la década de 1990, los estudios han demostrado que alrededor del 68% de la densidad masa-energía del universo se puede atribuir a la llamada energía oscura. La constante cosmológica Λ es la explicación más simple posible para la energía oscura y se utiliza en el modelo estándar actual de cosmología conocido como modelo ΛCDM.
De acuerdo con la teoría cuántica de campos (QFT) que subyace a la física de partículas moderna, el espacio vacío se define por el estado de vacío, que es una colección de campos cuánticos. Todos estos campos cuánticos exhiben fluctuaciones en su estado fundamental (densidad de energía más baja) que surgen de la energía de punto cero presente en todas partes del espacio. Estas fluctuaciones de punto cero deberían actuar como una contribución a la constante cosmológica Λ, pero cuando se realizan los cálculos, estas fluctuaciones dan lugar a una enorme energía de vacío. La discrepancia entre la energía del vacío teorizada de la teoría cuántica de campos y la energía del vacío observada de la cosmología es una fuente de gran controversia, con los valores predichos excediendo la observación en unos 120 órdenes de magnitud, una discrepancia que se ha llamado "la peor predicción teórica de la historia. de la física ". Este problema se llama el problema de la constante cosmológica y es uno de los mayores misterios de la ciencia, y muchos físicos creen que "el vacío es la clave para una comprensión completa de la naturaleza".
Contenido
1 Historia
2 Secuencia de eventos 1915–1998
3 ecuación
3,1 Ω Λ (Omega sub Lambda)
3.2 Ecuación de estado
4 Valor positivo
5 predicciones
5.1 Teoría cuántica de campos
5.2 Principio antrópico
5.3 No detectar la energía oscura
6 Véase también
7 referencias
7.1 Notas al pie
7.2 Bibliografía
7.2.1 Literatura primaria
7.2.2 Literatura secundaria: noticias, artículos y libros de divulgación científica
7.2.3 Literatura secundaria: artículos de revisión, monografías y libros de texto
8 Enlaces externos
Historia
Einstein incluyó la constante cosmológica como un término en sus ecuaciones de campo para la relatividad general porque no estaba satisfecho de que, de lo contrario, sus ecuaciones no permitieran, aparentemente, un universo estático : la gravedad haría que un universo que inicialmente estaba en equilibrio dinámico se contrajera. Para contrarrestar esta posibilidad, Einstein agregó la constante cosmológica. Sin embargo, poco después de que Einstein desarrollara su teoría estática, las observaciones de Edwin Hubble indicaron que el universo parece estar expandiéndose; esto era consistente con una solución cosmológica a las ecuaciones de relatividad general originales que había sido encontrada por el matemático Friedmann, trabajando en las ecuaciones de Einstein de la relatividad general. Según se informa, Einstein se refirió a su incapacidad para aceptar la validación de sus ecuaciones, cuando habían predicho la expansión del universo en teoría, antes de que se demostrara en la observación del corrimiento al rojo cosmológico, como su "mayor error".
De hecho, agregar la constante cosmológica a las ecuaciones de Einstein no conduce a un universo estático en equilibrio porque el equilibrio es inestable: si el universo se expande ligeramente, entonces la expansión libera energía del vacío, lo que causa aún más expansión. Asimismo, un universo que se contrae levemente seguirá contrayéndose.
Sin embargo, la constante cosmológica siguió siendo un tema de interés teórico y empírico. Empíricamente, la avalancha de datos cosmológicos en las últimas décadas sugiere fuertemente que nuestro universo tiene una constante cosmológica positiva. La explicación de este pequeño pero positivo valor es un desafío teórico sobresaliente, el llamado problema de la constante cosmológica.
Algunas generalizaciones tempranas de la teoría gravitacional de Einstein, conocidas como teorías clásicas de campo unificado, introdujeron una constante cosmológica sobre bases teóricas o descubrieron que surgió naturalmente de las matemáticas. Por ejemplo, Sir Arthur Stanley Eddington afirmó que la versión constante cosmológica de la ecuación de campo vacío expresó la " epistemológico propiedad" que el universo es "auto- calibración ", y Erwin Schrödinger puro- 's afín teoría usando un simple principio variacional produjo la ecuación de campo con un término cosmológico.
Secuencia de eventos 1915–1998
En 1915 Einstein publica sus ecuaciones de la relatividad general, sin una constante cosmológica Λ.
En 1917, Einstein agrega el parámetro Λ a sus ecuaciones cuando se da cuenta de que su teoría implica un universo dinámico para el cual el espacio es función del tiempo. Luego le da a esta constante un valor muy particular para obligar a su modelo de Universo a permanecer estático y eterno (universo estático de Einstein), al que luego llamará "la mayor estupidez de su vida".
En 1922, el físico ruso Alexander Friedmann muestra matemáticamente que las ecuaciones de Einstein (cualquiera que sea Λ) siguen siendo válidas en un universo dinámico.
En 1927 el astrofísico belga Georges Lemaître muestra que el Universo está en expansión al combinar la Relatividad General con algunas observaciones astronómicas, las del Hubble en particular.
En 1931 Einstein finalmente acepta la teoría de un universo en expansión y propuso, en 1932 con el físico y astrónomo holandés Willem de Sitter, un modelo de un Universo en continua expansión con constante cosmológica cero (espacio-tiempo de Einstein-de Sitter).
En 1998, dos equipos de astrofísicos, uno liderado por Saul Perlmutter, el otro liderado por Brian Schmidt y Adam Riess, realizaron mediciones en supernovas distantes y muestran que la velocidad de las galaxias que retroceden en relación con la Vía Láctea aumenta con el tiempo. El universo está en expansión acelerada, lo que requiere tener un Λ estrictamente positivo. El universo contendría una misteriosa energía oscura produciendo una fuerza repulsiva que contrarresta el frenado gravitacional producido por la materia contenida en el universo (ver modelo cosmológico estándar ).
Por este trabajo, Perlmutter (estadounidense), Schmidt (estadounidense-australiano) y Riess (estadounidense) recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física en 2011.
Ecuación
Proporciones estimadas de materia oscura y energía oscura (que puede ser la constante cosmológica) en el universo. Según las teorías actuales de la física, la energía oscura ahora domina como la mayor fuente de energía del universo, en contraste con épocas anteriores cuando era insignificante.
donde el tensor / escalar de Ricci R y el tensor métrico g describen la estructura del espacio-tiempo, el tensor de tensión-energía T describe la energía y la densidad de momento y el flujo de la materia en ese punto en el espacio-tiempo, y las constantes universales de gravitación G y el La velocidad de la luz c son factores de conversión que surgen cuando se utilizan unidades de medida tradicionales. Cuando Λ es cero, esto se reduce a la ecuación de campo de la relatividad general utilizada habitualmente en el siglo XX. Cuando T es cero, la ecuación de campo describe el espacio vacío (el vacío ).
La constante cosmológica tiene el mismo efecto que una densidad de energía intrínseca del vacío, ρ vac (y una presión asociada). En este contexto, comúnmente se mueve al lado derecho de la ecuación y se define con un factor de proporcionalidad de 8 π: Λ = 8 π ρ vac, donde se utilizan las convenciones unitarias de la relatividad general (de lo contrario, los factores de G y c también aparecería, es decir, Λ = 8 π ρ vac G / c 4 = κ ρ vac, donde κ es la versión reescalada de Einstein de la constante gravitacional G ). Es común citar valores de densidad de energía directamente, aunque todavía usando el nombre "constante cosmológica", usando unidades de Planck de modo que 8 πG = 1. La verdadera dimensión de Λ es la longitud -2.
Usando los valores conocidos en 2018 y las unidades de Planck para Ω Λ =0,6889 ± 0,0056 y H 0 =67,66 ± 0,42 (km / s) / Mpc =(2.192 7664 ± 0.0136) × 10 −18 s −1, Λ tiene el valor de