Los mayores errores a veces son aciertos I: El papel de la constante cosmológica y la expansión del Universo

La historia es ampliamente conocida, así como su protagonista. En 1915, el físico suizo Albert Einstein había puesto patas arriba la filosofía y la física de su época con una revolucionaria teoría que venía a resolver los problemas de los que adolecia la que, durante siglos, había sido el ejemplo de libro de teoría física, aquella que Newton nombró como Teoría de la Gravitación Universal. Lo que en la formulación del inglés venía descrito mediante una fuerza que atraía todos los cuerpos de una forma proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, en la de Einstein es sustituido por una noción geométrica en la que los cuerpos se mueven sobre un espacio y tiempo que, juntos y lejos de ser inmutables como en la vieja física prerrelativista, constituyen una especie de sábana que se curva bajo la presencia de la masa y la energía, siendo esa curvatura la que hace que los cuerpos caigan unos contra otros. En definitiva, lo que la Teoría de la Relatividad General viene a decir es que “la masa y la energía curvan el espacio tiempo y la curvatura del espacio tiempo dicta cómo se mueven los cuerpos”.

Como decía, todo esto supuso una gran revolución y un profundo cambio de paradigma en la forma de ver el mundo por parte de todos, desde teólogos hasta científicos. Tras más de cuatro siglos siguiendo las ideas de Galileo, Einstein había provocado que la humanidad se cuestionase la naturaleza de todo cuanto la rodea. No sólo la medida del tiempo y el espacio dejaban de ser algo universal y pasaban a depender de la naturaleza del observador, si no que incluso el concepto de qué es tiempo y qué es espacio pasaba a ser algo cuestionable, debido a que al curvarse, ambos podían cruzarse e intercambiar sus papeles. Ciertamente, el problema de la Relatividad General, como dijo cierto físico una vez, es que uno nunca sabe qué hora es ni dónde está.

Sin embargo, más allá de este cambio de paradigma, la Relatividad General planteaba una cuestión muy profunda que puede pasar a primera vista desapercibida. Si la masa y la energía dictan la geometría del espacio y el tiempo… ¿cuál es la geometría del Universo? Es una pregunta que se antoja bastante fácil pero cuya respuesta no es para nada sencilla, pues contestarla requiere conocer el contenido de materia y energía del Universo en todo su conjunto, algo que no parecía accesible a la física de la época. Sin embargo, el principio de modestia del que hace gala la ciencia permitió al menos conjeturar una respuesta. Y digo modestia porque la respuesta que aceptaron casi unanimemente los físicos de la época era que, al contrario de lo que el dogma religioso pregonaba, la Tierra y nuestro sistema solar no tenían por qué ocupar un lugar privilegiado en nuestro Universo y, por tanto consideraron que desde cualquier otro punto de este, la distribución de estrellas que se pudiese observar debía de ser aproximadamente igual. Esto es a lo que nos referimos los físicos cuando decimos que el Universo es “homogéneo e isótropo”, hipótesis que han sido fuertemente comprobadas por las observaciones astrofísicas realizadas durante todo el siglo XX.

Pero volvamos a la década de 1910 y a un Albert Einstein que, con la Teoría de la Relatividad en la mano e impulsado por el éxito de la llamada solución de Schwarzschild en describir la física del sistema solar, se propone hacer lo mismo con la geometría del Universo a través de su teoría. Sin embargo, pronto se encuentra con un problema: el describir un universo homogéneo e isótropo es aproximadamente igual a describir las partículas de un gas y por tanto se le puede asignar una presión y una densidad (la forma más fácil de comprender esto es pensar en que a escalas cosmológicas, las estrellas no son más que sencillas partículas interaccionando unas con otras inmersas en la inmensidad del cosmos) y el hecho de que ambas magnitudes sean positivas (un gas no puede tener ni densidad ni presión negativa) implica que es imposible obtener un universo estático como el que los prejuicios filosóficos de la época impulsaban a buscar. En este sentido, el Universo se comportaría como un gas libre, que siempre se expande al no encontrar paredes que lo confinen.

Es por esta razón que, en 1919, Einstein publica una modificación de sus ecuaciones de la Relatividad General que incluye un nuevo parámetro al que llamó constante cosmológica, encargado de generar un efecto gravitatorio repulsivo que compensara la expansión del gas que conforma el Universo. Sin embargo, él mismo pronto se dió cuenta de que incluso existiendo ahora una solución, esta era inestable, pues no era más que el equivalente de posar una canica en equilibrio en la punta de un lápiz, y que cualquier mínima perturbación (desviaciones que hiciesen que el Universo no fuese perfectamente homogéneo, por ejemplo) podía producir una expansión o colapso de su universo, una caída de la canica por un lado u otro del lápiz. La constante cosmológica pues, no era una solución.

Como es largamente conocido,algunos aludieron a esta constante como “el mayor error” de Einstein, aunque la razón de ello quizás no fuese la que se suele divulgar. Normalmente se hace referencia a esta frase en relación al descubrimiento poco posterior de la expansión del Universo por parte de Edwin Hubble y a cómo los prejuicios religiosos y filosóficos de Albert Einstein podían haberle hecho no aceptar la realidad de sus ecuaciones y buscar una salida. Sin embargo, un servidor no cree que esto fuese así. Para comprender la verdadera razón del rechazo de Einstein hacia la constante cosmológica hay que pensar con la mentalidad del físico de la época. A principios del Siglo XX, el paradigma de teoría científica era el electromagnetismo que Maxwell hubo unificado en la segunda mitad del siglo anterior por medio de cuatro ecuaciones (aunque en su momento fueron unas cuantas más debido a la notación matemática de la época) que eran capaces no sólo de describir todos los fenómenos eléctricos y magnéticos conocidos, sino también de asignarle una velocidad a la luz misma y de fomentar el entorno adecuado para que la Relatividad Especial apareciese. Debido a este contexto, en la época previa a la segunda guerra mundial se consideraba que cualquier añadido que uno introdujese a una teoría científica debía venir motivado por una observación o al menos por una propuesta experimental (de ahí la gran proliferación de experimentos mentales en la época). La construcción de las teorías era, pues, de arriba a abajo, primero se introducían los términos que explican fenómenos empíricos y de ellos se deducía la estructura matemática y las simetrías de la teoría; y por tanto, la constante cosmológica de Einstein, al ser introducida simplemente por un prejuicio y no por una motivación observacional clara, no tenía sentido ni lugar.

Llegamos pues a los primeros años de la década de los 20. La constante cosmológica resulta ser una loca idea que Einstein desecha y, gracias a las observaciones que la nueva astronomía permite realizar, se confirma que el Universo se expande y se acepta la descripción propuesta por Friedmann, Robertson y Walker para la geometría del Universo. ¿Significa esto que la gente se había olvidado de la constante cosmológica? Para conocer la respuesta a esta pregunta tenemos que avanzar unas pocas décadas, hasta que la física del Siglo XX haya madurado lo suficiente para ser capaz de construir teoría cuánticas tan bellas y completas como la Electrodinámica.

A estas alturas del desarrollo científico de nuestra sociedad se produce un cambio de paradigma importante en la forma que los físicos tenemos de construir teorías para describir fenómenos experimentales. Como hemos comentado un par de párrafos más arriba, a principios de siglo el procedimiento era el de empezar la casa por el tejado, uno primero introducía en sus ecuaciones los términos que explicaban lo que veía y luego estudiaba qué simetrías (matemáticas pero con imagen física, como la invariancia bajo rotaciones, por ejemplo, que implica que si un observador gira alrededor de un sistema físico, no observa cosas distintas) tenía esta teoría. Sin embargo, el nacimiento de la teoría cuántica moderna y concretamente de una técnica para evitar que las cantidades físicas se vuelvan infinitas llamada renormalización, provocó que todo esto cambiara. La cuestión era que si los términos que uno introduce de primeras (siguiendo la lógica de principios de siglo) poseen una cierta simetría, el proceso de renormalización genera automáticamente todos los términos posibles que posean esa misma simetría, por lo que incluso si evitamos introducirlos de primeras, la propia teoría los produce de manera dinámica para poder funcionar. Por tanto, y a vista de lo que el proceso de renormalización nos enseña, la forma correcta de construir una teoría debe ser precisamente de abajo a arriba: uno decide primero qué simetría debe tener la teoría y a continuación escribe todos los términos que la posean. Por tanto, la lógica funciona de manera opuesta a como Einstein la aplicó con la constante cosmológica. Esta constante tenía todo el derecho a aparecer en la teoría y de hecho debería aparecer. El problema, por tanto, es explicar por qué no está.

En este punto, el lector podría aludir a que, puesto que la gravedad no es una teoría que se pueda definir en el mundo cuántico, la lógica del proceso de renormalización y el hecho de que haya que añadir todos los términos aunque no nos interesen no está bien definida en este caso. Sin embargo, hay razones más allá de esta y del sesgo filosófico sobre cómo creemos que se construyen teorías para pensar que este término tiene todo el derecho a estar. Concretamente, y como veremos más adelante, cuando uno introduce cierto tipo de materia (como el campo de Higgs), el término de constante cosmológica es inevitable. Pero volvamos a la Relatividad General por el momento.

Tenemos, pues, que lo que Albert Einstein sintió como el mayor error de su vida no lo era tanto, si no que en cierta parte era un gran acierto: era un término que tenía a la fuerza que estar en sus ecuaciones. Sin embargo, el hecho de que las observaciones cosmológicas realizadas por los astrofísicos durante la primera mitad de siglo estuviesen en perfecto acuerdo con el modelo de Friedmann, Robertson y Walker, en el que la dichosa constante no existía; ocasionaba el problema secundario de explicar por qué esto era así. De este modo, relativistas de todo el globo dedicaron sus doctorados y carreras científicas a intentar resolver el problema de la constante cosmológica. La tortilla se daba la vuelta y ahora la complicación era explicar por qué la dichosa constante no aparecía. Pero para poder resolver este problema, primero hay que comprender qué es la constante cosmológica… aunque eso mejor lo dejamos para otro momento 🙂



Por Fooly Cooly
Publicado el ⌚ 23 mayo, 2013
Categoría(s): ✓ Astronomía • Física