Constantes cosmológicas: el ajuste fino del universo

¿Por qué la física tiene constantes?

Valores heredados del Big Bang

Su existencia podría deberse a las condiciones iniciales del universo durante el Big Bang o a propiedades profundas de la realidad fundamental que aún no comprendemos. En efecto, las condiciones iniciales del universo pudieron fijar los valores de las constantes que después influyeron en la evolución y la estructura del universo tal como lo conocemos. Algunos teóricos evocan la idea de un multiverso, en el que nuestro universo no sería más que uno entre muchas realidades posibles. En este contexto, las constantes podrían variar de un universo a otro, y el nuestro poseería los valores que permiten la aparición de la vida y de observadores conscientes.

Un marco coherente para las teorías físicas

En lo que respecta a nuestro mundo material, las constantes de la física son valores "fijos" que determinan las propiedades fundamentales del universo en su conjunto, de lo infinitamente pequeño a lo infinitamente grande. Estas constantes son necesarias para describir y predecir el comportamiento de los fenómenos físicos, así como las propiedades de la materia y de la energía a diferentes escalas. Estas constantes permiten mantener la coherencia de las leyes físicas y dar cuenta de la diversidad de los fenómenos observados a distintas escalas. Son también herramientas que permiten estudiar y poner a prueba los límites de nuestras teorías científicas (gravitación newtoniana, relatividad especial, mecánica cuántica, electrodinámica cuántica, relatividad general…). Para que la física moderna pueda desarrollarse, necesita leyes universales. Estas leyes permiten repetir los experimentos, aquí y en otro lugar, hoy y mañana, en un marco que es el Universo. Las constantes desempeñan, por tanto, un papel central en las teorías físicas. Paradójicamente, las constantes pueden variar a lo largo de periodos de tiempo muy largos. Pero eso no impide estructurar los dominios de validez de las diferentes teorías físicas y astrofísicas.

¿Cuáles son las constantes fundamentales de la física?

Un inventario de magnitudes fundamentales

Las constantes físicas son magnitudes cuyo valor numérico se considera fijo en el marco de las teorías actuales. Aparecen en las ecuaciones que describen las leyes de la naturaleza, de lo infinitamente pequeño a lo infinitamente grande, y condicionan tanto la estructura de los átomos como la expansión del Universo.

Ámbitos de aplicación variados

Las más conocidas se refieren a la gravitación y al electromagnetismo, pero la lista se extiende a la mecánica cuántica, la termodinámica, la física de partículas y la cosmología. Cada constante posee una unidad propia y un significado físico preciso: la constante de gravitación G mide la intensidad de la atracción entre masas, la velocidad de la luz c fija el límite de propagación de la información y de la energía, la constante de Planck h cuantifica los intercambios de energía a escala microscópica, la constante de estructura fina α caracteriza la fuerza electromagnética, etc.

Valores medidos y ajustados

Estas magnitudes no se deducen de principios matemáticos abstractos: se miden experimentalmente con una precisión creciente, y sus valores son ajustados regularmente por organismos internacionales como CODATA.

Una constancia probada a lo largo de miles de millones de años

Su constancia aparente, probada a lo largo de miles de millones de años gracias a la observación de espectros de absorción lejanos, constituye uno de los pilares de la física moderna y permite comparar experimentos realizados en contextos radicalmente diferentes.

Tabla resumen de las constantes físicas fundamentales

La tabla siguiente resume las principales constantes físicas y cosmológicas, su símbolo, su valor aproximado, su papel y su origen histórico.

¿Cuáles son los parámetros cosmológicos?

Parámetros cosmológicos del modelo ΛCDM

A diferencia de las constantes físicas fundamentales, que fijan las leyes locales de la naturaleza, los parámetros cosmológicos describen el estado global del Universo: su edad, su tasa de expansión, su composición y su geometría. Estas magnitudes no son necesariamente constantes en sentido estricto: algunas varían con el tiempo cósmico, como la densidad de energía oscura o la tasa de expansión. Están en el corazón del modelo ΛCDM (Lambda-CDM), que constituye hoy el modelo estándar de la cosmología. Los valores más precisos provienen de las mediciones del fondo cósmico de microondas realizadas por el satélite Planck (2018), complementadas por los estudios de supernovas y las oscilaciones acústicas de bariones (BAO).

Tabla de los parámetros cosmológicos del modelo ΛCDM

La tabla siguiente resume los parámetros cosmológicos esenciales, su símbolo, su valor procedente de los datos de Planck 2018 y su papel en la descripción del Universo.

¿Qué han permitido verificar las constantes?

Pruebas decisivas para las grandes teorías

Las constantes fundamentales han desempeñado un papel crucial en la verificación de las teorías científicas y de los modelos físicos. Han permitido confirmar que el espectro de absorción de los diferentes elementos se ha mantenido inalterado durante unos 10 000 millones de años.

La tensión de Hubble

Dos familias de medidas que no coinciden

Una de las dificultades mayores de la cosmología contemporánea reside en la divergencia entre las medidas de la constante de Hubble según el método utilizado. Las medidas basadas en el Universo primitivo y el modelo ΛCDM dan H₀ ≈ 67,4 km·s⁻¹·Mpc⁻¹ para Planck solo, y valores muy cercanos, H₀ ≈ 67,2 ± 0,4, cuando se combinan Planck, ACT y SPT-3G. Las medidas locales, basadas en las cefeidas y las supernovas de tipo Ia, dan H₀ ≈ 73 km·s⁻¹·Mpc⁻¹. Esta discrepancia, inicialmente de unos 5 σ, se denomina tensión de Hubble.

¿Es realmente constante la constante cosmológica?

Λ, una energía del vacío constante

En el modelo ΛCDM, la energía oscura es una verdadera constante Λ: su densidad no cambia con el tiempo, y su ecuación de estado vale \( w = p/(\rho c^2) = -1 \). Es la hipótesis más simple, y la que hasta ahora concuerda con la mayoría de las observaciones.

Lo que ha medido DESI

El instrumento espectroscópico DESI publicó en 2025 los resultados de su segunda entrega de datos (DR2, tres años de observación): mediciones de oscilaciones acústicas de bariones sobre más de 14 millones de galaxias y cuásares. Se describen bien mediante un modelo ΛCDM plano, pero los parámetros que prefieren están en tensión moderada (2,3 σ) con los del fondo cósmico de microondas.

Cuando DESI se combina con el fondo cósmico y con catálogos de supernovas, se prefiere una energía oscura evolutiva, descrita por los parámetros \( (w_0, w_a) \), al modelo ΛCDM con una significación de 2,8 a 4,2 σ según la muestra de supernovas. Un reanálisis del catálogo DES-SN5YR («DES-Dovekie») ha rebajado desde entonces el máximo de 4,2 σ a 3,2 σ.

Una pista por confirmar, no un descubrimiento

Estos valores siguen estando por debajo del umbral de 5 σ generalmente exigido para un descubrimiento. Los autores de DESI subrayan que, salvo error sistemático desconocido en uno de los conjuntos de datos, el modelo ΛCDM se pone a prueba y que una energía oscura dinámica podría ser una solución. Si se confirmara, Λ ya no sería una constante, sino un campo que evoluciona a lo largo del tiempo cósmico.

El vínculo con la masa de los neutrinos

En el laboratorio, el experimento KATRIN mide directamente la masa del neutrino electrónico mediante la desintegración del tritio. Sus 259 días de datos (Science, 2025) dan \( m_\nu < 0{,}45 \) eV a un 90 % de nivel de confianza, es decir, menos de una millonésima de la masa del electrón. La cosmología es mucho más restrictiva: DESI y el fondo cósmico limitan la suma de las masas de los tres neutrinos a \( \sum m_\nu < 0{,}064 \) eV (ΛCDM, 95 % CL). Este límite roza el mínimo de unos 0,06 eV impuesto por las oscilaciones de neutrinos, y se relaja a 0,16 eV si la energía oscura es evolutiva: las dos cuestiones están, por tanto, vinculadas.

Lo esencial

Un fundamento para la física moderna

Las constantes físicas han servido de base para la validación de las teorías científicas. Han permitido construir un marco coherente para explicar y prever una amplia gama de fenómenos observados en el universo, de lo infinitamente pequeño a lo infinitamente grande. Desde 2019, varias de ellas definen incluso las propias unidades de medida.

Tres cuestiones aún abiertas

Ninguna teoría explica hoy por qué las constantes tienen esos valores. La tensión de Hubble no está resuelta, y la naturaleza de la energía oscura sigue abierta: ¿constante del espacio-tiempo o campo evolutivo? Los datos de DESI, del telescopio espacial Euclid, de JWST y de los futuros estudios aportarán elementos de respuesta.