En 1917, Albert Einstein tenía que conciliar su nueva teoría de la gravedad (la Relatividad General) con los limitados conocimientos de que se disponía en aquel momento acerca del Universo. Él, como la mayoría de sus contemporáneos, estaba convencido de que el Universo debía ser estático. Pero tal estado no era compatible con sus ecuaciones de la Gravedad.
En una huida hacia delante agregó a sus ecuaciones una entidad ad hoc, un término cosmológico (la "Constante Cosmológica") que compensaba la gravedad y permitía una solución estática.
Pero doce años más tarde, Edwin Hubble descubrió que las galaxias se alejan entre sí a una velocidad proporcional a su lejanía.
Einstein le confesó a George Gamow que la introducción de la Constante cosmológica había sido "el mayor disparate de su vida".
Sin embargo, a finales del s. XX se comenzó a reivindicar dicha Constante al descubrir que el Universo se expande de un modo acelerado contra toda lógica. Y además ello obedece a principios de la Mecánica Cuántica.
La Relatividad General nace de un gedanken donde Einstein llegaba a la conclusión de que gravedad y aceleración producen idéntico efecto. Einstein recibió un influjo poderoso de el gran Ernst Mach. Rechazaba éste la idea de un sistema de referencia absoluto para el Espacio-Tiempo.
En la Física Newtoniana, la inercia refleja la tendencia de un objeto a moverse con velocidad constante a menos que se halle condicionado por una fuerza.
La noción de velocidad constante requiere un sistema de referencia inercial, no acelerado. Ahora bien, no acelerado ¿con respecto a qué?
Newton postuló la existencia del Espacio Absoluto, un sistema de referencia inmóvil que definía todos los sistemas inerciales locales.
Para Mach, en cambio, la distribución de materia en el Universo definía todos los sistemas inerciales.
Einstein buscó una solución finita, estática y compatible con los principios de Mach (Mach postulaba la necesidad de materia para definir el Espacio). La Constante Cosmológica producía una repulsión cósmica que compensaba la atracción gravitatoria. Así, el Universo se curvaba sobre sí mismo como la superficie de un balón, y se mantenía en equilibrio, precario, pero equilibrio a fin de cuentas. Problema resuelto.
Poco duró la alegría.
Willem de Sitter demostró que, a pesar del Término Cosmológico, el Universo de Einstein no tenía materia.
Alexander Friedman construyó modelos en expansión y contracción sin el susodicho Término mágico. Y Arthur Eddington, el más devoto fan de Einstein, demostró que el universo einsteniano poseía un equilibrio tan extremadamente precario que la más mínima perturbación lo llevaría al colapso gravitatorio.
Por eso fue un alivio la llegada del Universo expansivo de Hubble (1931). Y la Constante Cosmológica quedó barrida bajo la alfombra.
Pero sesenta años más tarde la Constante Cosmológica resurgió de sus cenizas, pues era inevitable su presencia.
En su actual conformación no deriva de la Relatividad sino ¡Oh paradoja! de la Mecánica Cuántica.
La ecuación de campo original, enunciada por Einstein: "Gμν = 8πGTμν" relaciona la curvatura del Espacio "Gμν", con la distribución de materia y energía "Tμν" , donde "G" es la Constante de Newton que caracteriza la intensidad de la Gravedad.
Cuando Einstein añadió el Término Cosmológico, lo puso en el lado izquierdo de la ecuación, coo si fuese una propiedad del Espacio. Pero si lo trasladamos al lado derecho, entonces adquiere un sentido radicalmente nuevo, el que tiene hoy día: Una nueva y extraña forma de energía que permanece constante, incluso cuando el Universo se expande, y cuya gravedad no es atractiva sino repulsiva.
La Invarianza de Lorentz -la simetría fundamental asociada con la Teoría de la Relatividad, tanto Especial como General- dicta que sólo el Espacio Vacío puede alcanzar tal clase de densidad de energía.
Pero vayamos por partes.
En primer lugar ¿Qué magnitud puede tener Energía de Vacío? Pues, con los experimentos llevados a cabo hasta la fecha, podemos afirmar que entre 55 y 120 órdenes de magnitud superior a la energía de toda la materia y radiación de todo el Universo observable.
Si esto fuera cierto, la materia del Universo se dispersaría al instante ¿Entonces?
Antes de seguir analicemos el significado de "Término Cosmológico" (o Variable Cosmológica).
El núcleo de la Teoría de la Relatividad General de Einstein es la "ecuación de campo", según la cual, la geometría del Espacio-Tiempo(Gμν, el Tensor de Curvatura) está determinado por la distribución de materia y energía ( Tμν, el Tensor Energía-Momento), donde G es la Constante de Newton que caracteriza la intensidad de la Gravedad.
NOTA.- Recordemos que un "tensor" es una entidad geométrica o física que se puede representar por medio de números.
O sea, el Espacio se curva en función de la cantidad de Materia-Energía: Gμν = 8πGTμν.
Einstein introdujo el término cosmológico " Λ " para que se compensase la atracción de la gravedad a escalas cósmicas. Se obtenía así un universo estático. Añadió el término (multiplicado por gμν, el tensor métrico que define las distancias) al lado izquierdo de la ecuación de campo; daba así a entender que era una propiedad del Espacio:
Gμν + Λ gμν = 8πGTμν
Pero abandonó el Término al constatar que el Universo se expande.
El nuevo Término Cosmológico que hoy se investiga es una consecuencia de la Teoría Cuántica, que indica que el Espacio Vacío puede poseer una densidad de Energía. Este Término: ρVAC (la densidad de la Energía de Vacío), multiplicada por gμν, debe ir al lado derecho de la ecuación, con las otras formas de energía.
Gμν = 8πG (Tμν + ρVAC gμν)
Aunque matemáticamente equivalentes, el Término cosmológico de Einstein y la Energía de Vacío divergen en su significación conceptual; aquél constituye una propiedad del Espacio, ésta es una forma de energía ligada a los pares virtuales partícula-antipartícula.
La Teoría Cuántica mantiene que dichas partículas virtuales surgen sin cesar del Vacío, existen durante un brevísimo intervalo y desaparecen.
NOTA.- El Término Cosmológico de Einstein iba a la izquierda para equilibrar la fuerza expansiva del término derecho, y de esta forma obtener un Universo estático. Una vez que se supo era dinámico, no hacía falta tal aderezo.
Pero hoy día sabemos que el Universo se expande de modo acelerado con una intensidad muy superior a la que sugiere 8πGTμν, por tanto hemos de añadir ahí un factor de fuerza adicional ( ρVAC gμν )
Volvamos a la Energía de Vacío ¿Por qué no se le dio importancia a la disparidad entre su enorme magnitud teórica y el nulo efecto en la realidad? Porque en todas las áreas de la Física, con excepción de la Gravedad, carece de interés la energía absoluta de un sistema, sólo importan las diferencias de energía entre los estados (v.g. en términos eléctricos, en tanto no haya una diferencia de potencial, la energía del sistema es cero).
Pero la Relatividad General establece que todas las formas de energía, incluida la Energía de Vacío, actúan como una fuente de Gravedad.
Fue en los años sesenta cuando empieza a abordarse el problema, y pronto se ve que nada encaja.
Recordemos que Hubble descubrió que las velocidades relativas de las galaxias remotas eran proporcionales a la distancia de nuestra Galaxia.
Desde el punto de vista de la Relatividad General, esta correlación se debe a la expansión del propio Espacio, que ha de frenarse con el tiempo en virtud de la atracción gravitatoria.
Y como las galaxias remotas se ven como eran hace miles de millones de años, el frenado de la expansión ha de curvar la relación de Hubble (lineal en los demás aspectos). O sea la recesión de las galaxias más distantes ha de ser más veloz que lo predicho por la Ley de Hubble.
A comienzos de 1998 se hace un descubrimiento sorprendente: Durante los últimos cinco mil millones de años, la expansión se ha ido ¡ACELERANDO! En lugar de frenarse como sería lo más lógico.
Sabemos que el Universo es plano, ni esférico ni silla de montar.
Una geometría espacialmente plana obliga a que la densidad media del universo sea igual a la densidad crítica.
Y sabemos que toda la materia del Universo no suma más del 25% de toda la Densidad Critica, o sea de toda la Materia-Energía real; siendo el 5% materia normal y el 20% Materia Oscura.
¿Dónde está el 75% restante? La Energía de Vacío podría ser el candidato perfecto, pero al rompecabezas le faltan todavía demasiadas piezas. Empezando por explicar por qué la Energía de Vacío no es cero, aunque sí tan pequeña como para que sus efectos en el cosmos cuenten sólo desde hace algunos miles de millones de años.
Y aquí tenemos que hablar de la "Teoría M".
La teoría M es una teoría física, propuesta como una "teoría del todo", que unifica las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, o dicho de otro modo, unificaría las Mecánica Cuántica y la Relatividad. La teoría M fue esbozada inicialmente por Edward Witten, su propuesta combinaba las cinco teorías de supercuerdas y supergravedad en once dimensiones.
Tiene en la Supersimetria (SUSY) uno de sus principios básicos. La cuál consiste en una simetría entre las partículas de espín semi-entero (fermiones) y las de espín entero (bosones).
En ese mundo supersimétrico, una partícula y su "supercompañera" poseerían la misma masa; por ejemplo, el electrón supersimétrico (selectrón) tendría una masa de 0,510 998 950 00(15) MeV/c, como el electrón, y así sucesivamente.
Se puede demostrar que en ese "supermundo", la nada cuántica no pesaría y el vacío tendría energía cero.
Sin embargo sabemos que en el mundo real no puede existir un selectrón tan ligero como el electrón, se habría detectado en los aceleradores de partículas.
Se conjetura que las partículas super-compañeras son millones de veces más pesadas que los electrones; por eso no pueden hallarse sin aceleradores potentísimos.
Por tanto, SUSY, debe ser una simetría rotas: el vacío cuántico podría pesar un poco.
Pero también cabe la posibilidad de que la explicación de la aceleración cósmica nada tenga que ver con que el Término Cosmológico sea tan pequeño o con que deba incluir la M.C.
La Relatividad General estipula que la gravedad de un objeto es proporcional a su densidad de energía más tres veces su presión interna (!)
Cualquier forma de energía con una presión grande y negativa tendrá, por tanto, una gravedad repulsiva
La aceleración cósmica podría revelar, lisa y llanamente, la existencia de Energía Oscura.
Y esta singular forma de energía no está prevista ni por la Mecánica Cuántica ni por la Teoría de Cuerdas.
