¿Por qué la densidad de energía del vacío es mucho menor que la energía de punto cero sugerida por la teoría cuántica de campos?
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 hasta 120 órdenes de magnitud mayor que la observada, [1] [2] un estado de cosas descrito por físicos como "la mayor discrepancia entre teoría y experimento en toda la ciencia" [1] y "la peor predicción teórica en la historia de la física". [3]
El problema básico de que la energía del vacío produzca un efecto gravitacional fue identificado ya en 1916 por Walther Nernst . [4] [5] [6] 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 más cortas observadas λ ≈ 2 × 10 −11 cm, ... y si esta radiación, convertida en densidad material ( u / c 2 ≈ 10 6 ), contribuyó a la curvatura del universo observable – se obtendría una densidad de energía en el vacío de tal valor 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 la mecánica cuántica, el vacío 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 alcanzaban entre 120 y 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 se acerca a los 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 es 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 alguna vez, entonces la expansión del universo no se aceleraría como se observa, según el modelo estándar Λ-CDM . [14]
La energía del vacío calculada es una contribución positiva, más que negativa, a la constante cosmológica porque el vacío existente tiene una presión mecánico-cuántica negativa , mientras que en la relatividad general , el efecto gravitacional de la presión negativa es una especie de repulsión. (Aquí la presión se define como el flujo de impulso mecánico-cuántico a través de una superficie). En términos generales, la energía del vacío se calcula sumando todos los campos mecánico-cuánticos conocidos, teniendo en cuenta las interacciones y autointeracciones entre los estados fundamentales, y luego eliminar todas las interacciones por debajo de una longitud de onda mínima "de corte" para reflejar que las teorías existentes fracasan y pueden no 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 del vacío habría sido diferente en el universo primitivo; por ejemplo, la energía del vacío habría sido significativamente diferente antes de que se rompiera la simetría electrodébil durante la época de los quarks . [12]
La energía del vacío en la teoría cuántica de campos se puede establecer en cualquier valor mediante renormalización . Este punto de vista trata la constante cosmológica simplemente como otra constante física fundamental que la teoría no predice ni explica. [15] Tal constante de renormalización 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 equivale 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/m 3 ≘5,3566 × 10 −10 J/m 3 =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 esperada de energía del vacío en torno a 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 enfrentan el 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 diminuto, pero no resuelven el "viejo" problema de la constante cosmológica de por qué En primer lugar, las fluctuaciones cuánticas parecen no producir energía de vacío sustancial. Sin embargo, muchos físicos sostienen 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 las constantes cosmológicas. [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, no surge el problema de la constante cosmológica. [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]
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, la electrodinámica cuántica , las interacciones débiles y la cromodinámica cuántica no contribuyen a la constante cosmológica. Por tanto, se predice que será cero en un espacio-tiempo plano . [21] [22] Desde el punto de vista de la cuantificación del frente de luz , el origen del problema de la constante cosmológica se remonta a términos no físicos y no causales en el cálculo estándar, que conducen a un valor erróneamente grande de la constante cosmológica. [23]
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 han demostrado que este mecanismo permite tomar la energía del vacío como predice la teoría cuántica de campos , pero eliminando la enorme magnitud mediante un término de contrapeso debido únicamente a los bariones y la materia oscura fría . [24]
En 1999, Andrew Cohen, David B. Kaplan y Ann Nelson propusieron que las correlaciones entre los límites UV e IR en la teoría cuántica de campos efectiva son suficientes para reducir la constante cosmológica teórica hasta la constante cosmológica medida debido a la Cohen-Kaplan-Nelson ( CKN) encuadernado. [25] En 2021, Nikita Blinov y Patrick Draper confirmaron mediante el principio holográfico que el límite de CKN predice la constante cosmológica medida, manteniendo al mismo tiempo las predicciones de la teoría de campos efectiva en condiciones menos extremas. [26]
Algunos proponen una solución antrópica [27] 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 sólo las regiones de pequeña energía del vacío, como aquella en la que vivimos, son razonablemente capaces de sustentar vida inteligente. Tales argumentos han existido de alguna forma desde al menos 1981. Alrededor de 1987, Steven Weinberg estimó que la energía de vacío máxima permitida para que se formen estructuras unidas gravitacionalmente es problemáticamente grande, incluso teniendo en cuenta los datos de observación disponibles en 1987, y concluyó que la explicación antrópica parece fracasar; sin embargo, estimaciones más recientes de Weinberg y otros, basadas en otras consideraciones, encuentran que el límite está más cerca del nivel real observado de energía oscura. [28] [29] 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 todavía son ridiculizados por una porción sustancial escéptica de la comunidad científica por ser problemáticos de verificar. Los defensores de las soluciones antrópicas están divididos sobre múltiples cuestiones técnicas en torno a cómo calcular la proporción de regiones del universo con varias constantes de energía oscura. [28] [17]
