Físicos UC dan explicación a “La discrepancia más grande entre la teoría y el experimento en la historia de la ciencia"

Cuando se constató que el Universo se expande de forma acelerada, hallazgo galardonado con el Premio Nobel de Física 2011, se cuestionaron los grandes paradigmas de esta área de la ciencia. 

Albert Einstein había creado una serie de Ecuaciones de Campo que permitían relacionar la curvatura del Espacio con la energía, dando origen a la Fuerza de Gravedad. En su Teoría de la Relatividad General, el científico planteó un modelo en el que el Universo estaba estático. Para compensar los efectos de la gravedad, Einstein integró en sus ecuaciones una constante, llamada Constante Cosmológica, capaz de evitar un colapso gravitatorio y dar estabilidad al Universo. Sin embargo, en 1927 se demostró que el Universo no era estático y Einstein asumió que se había equivocado. 

Pero la ciencia es cambio, rectificación y avance constante. Para sorpresa de la comunidad internacional, en 1998 gracias a los datos de observaciones de supernovas distantes (explosiones de estrellas masivas), fue posible demostrar que la expansión del Universo se estaba acelerando y no frenando. Entonces surgieron las preguntas: ¿Qué interacción induce la separación de las galaxias? ¿Cómo cambiaba este hecho la comprensión que se tenía del Universo y de teorías fundamentales como la Relatividad General? 

Dado a que normalmente uno esperaría que las galaxias se atrajesen por gravedad, debía, por lo tanto, existir una interacción dominante que produjese la repulsión observada. A la luz de los hechos, los científicos empezaron a trabajar en el concepto la “energía oscura”, el cual está directamente conectado con la Constante Cosmológica originalmente introducida por Einstein. 

Gracias a que la aceleración del Universo fue cuantificada, fue posible asignar un valor numérico a la Constante Cosmológica (Λ), equivalente a 2.9*10^-122 en unidades de Planck.  "Si bien no se sabe cómo se origina esta Constante Cosmológica, también conocida como "energía oscura", se demostró que el valor de esta aporta el 70% de contenido energético total de Universo, generando una fuerza gravitacional repulsiva", explica el académico de la Facultad de Física UC, Ben Koch. 

Se conoce un solo efecto en la Física fundamental de partículas que podría producir una semejante repulsión. Este efecto se llama la energía del ``Vacío Cuántico’’ y viene de la Mecánica Cuántica en particular de la Relación de Incertidumbre de Heisenberg. “El vacío clásico es como el mar visto de un satélite: nada se mueve. Pero el Vacío Cuántico es como el mar visto desde una lancha pequeña, hay espuma, olas, y viento: muy revuelto” comenta Ben Koch, profesor a cargo de la investigación. 

El problema es que, según los cálculos de la Física de Partículas, la energía generado por el Vacío Cuántico debería ser entre 60 a 120 órdenes de magnitud mayor que el valor cuantificado por la expansión observada. Esta inconsistencia ha sido llamada la discrepancia más grande entre teoría y experimento en la historia de la ciencia. 

Físicos de todo el mundo están tratando de desentrañar este misterio, a través de la creación de nuevas teorías. Desde la UC, un grupo de investigadores ha propuesto una solución bastante sencilla, la cual ha sido recientemente publicada en el prestigioso Journal of Cosmology and Astroparticle Physics(https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2020/01/021). 

"Nosotros logramos demostrar que el valor actual de la Constante Cosmológica (Λ) se puede explicar de forma natural, sin necesidad de cambiar teorías fundamentales como la Relatividad. Esta explicación solamente requiere que se cumplan dos condiciones: la primera es entender que esta Constante no siempre tiene el mismo valor, sino que está sujeta a las condiciones y escalas de medición. Esta es una característica de todas las teorías cuánticas propias de la Física Moderna. La segunda es que para cambiar el valor medible de la Constante Cosmológica tan drásticamente, el Universo debe haber experimentado un periodo de expansión dramática. Este segundo requisito se cumple durante el periodo de inflación cósmica hace 13.7 Mil Millones de años. Durante esta inflación la Constante Cosmológica se hizo cada vez más pequeña, y eso explicaría por qué hoy la medición da un valor que es mucho menor a lo esperado. Dado a que ambos requisitos se cumplen en la Física que ya conocemos, nuestros cálculos demuestran que posiblemente este “gran problema de la Constante Cosmológica” puede tener una solución "pequeña", ya que no es necesario cambiar algo fundamental en nuestro entendimiento de la naturaleza y tampoco tenemos que escribir los libros de Cosmología y de Física Cuántica de nuevo”, comenta el académico. 

A partir de esta investigación, el grupo de académicos del Instituto de Física de la UC está trabajando en aplicar su modelo al periodo después de la Inflación Cosmológica, donde por un lado, los efectos de escala van a ser mucho más pequeños, pero por otro lado, hay mucho más datos para chequear el modelo.