miniatura|400x400px|Schița în modelul ΛCDM. Expansiunea accelerată din ultima treime a cronologiei reprezintă . În , constanta cosmologică (de obicei, indicată prin litera grecească lambda: Λ) este densitatea de energie a spațiului sau „” care apare în ecuațiile de câmp ale relativității generale a lui Albert Einstein. Este strâns asociată cu noțiunile de energie întunecată și chintesență.S-ar putea și ca energia întunecată să fie explicată printr-o constantă cosmologică statică, sau ca această energie misterioasă să nu fie deloc constantă și să se fi schimbat de-a lungul timpului, așa cum este cazul cu chintesența, vezi de exemplu:
„Fizica invită ideea că spațiul conține energie al cărei efect gravitațional îl aproximează pe cel al constantei cosmologice a lui Einstein, Λ; astăzi, conceptul este denumit energie întunecată sau chintesență.” „Ar părea atunci că fluidul cosmologic este dominat de un soi de densitate de energie fantastică, care are presiune negativă, și care abia acum a început să joace un rol important. Nu s-a construit încă nicio teorie convingătoare care să explice această situație, deși modelele cosmologice bazate pe o componentă de energie întunecată, cum ar fi constanta cosmologică (Λ) sau chintesența (Q), sunt candidați buni.”
Einstein a introdus conceptul în 1917 pentru a contrabalansa efectele gravitației și a obține un , o noțiune care era viziunea acceptată la vremea respectivă. Einstein a abandonat conceptul în 1931 după ce Hubble a descoperit că universul este în expansiune. Din anii 1930 până la sfârșitul anilor 1990, majoritatea fizicienilor au presupus că constanta cosmologică este egală cu zero. Acest lucru s-a schimbat odată cu descoperirea surprinzătoare din 1998 că , ceea ce implică posibilitatea ca constanta cosmologică să aibă valoare pozitivă nenulă.
Din anii 1990, studiile au arătat că aproximativ 68% din densitatea de masă-energie a universului poate fi pusă pe seama așa-numitei energii întunecate. Constanta cosmologică Λ este cea mai simplă explicație posibilă pentru energia întunecată și este folosită în modelul actual standard al cosmologiei cunoscut sub numele de modelul ΛCDM. Energia întunecată este puțin înțeleasă la nivel fundamental, dar principalele proprietăți necesare ale energiei întunecate sunt că funcționează ca un fel de anti-gravitați, se diluează mult mai lent decât materia în timp ce universul se extinde și se adună mult mai slab decât materia, sau poate deloc.
Conform teoriei cuantice a câmpurilor (QFT) care stă la baza fizicii particulelor moderne, spațiul vid este definit de , care este o colecție de câmpuri cuantice. Toate aceste câmpuri cuantice prezintă fluctuații ale stării lor fundamentale (cea mai mică densitate de energie) care rezultă din prezentă peste tot în spațiu. Aceste fluctuații de punct zero ar trebui să acționeze ca o contribuție la constanta cosmologică Λ, dar atunci când se efectuează calculele, aceste fluctuații dau naștere unei energii de vid enorme. Discrepanța dintre energia de vid teoretizată în QFT și energia de vid observată în cosmologie este o sursă majoră de controverse, valorile prezise depășind observațiile cu aproximativ 120 de ordine de mărime, o discrepanță care a fost numită „cea mai rea predicție teoretică din istoria fizicii!”.Vezi de exemplu:
„Aceasta dă un răspuns cu circa 120 de ordine de mărime mai mare decât limitele superioare ale lui Λ stabilite de observațiile cosmologice. Este probabil cea mai greșită predicție teoretică din istoria fizicii!” „Aceasta, așa cum vom vedea mai târziu, este cu circa 120 de ordine de mărime mai mare decât permit observațiile.” „Așteptările teoretice pentru constanta cosmologică depășesc limitele de observare cu circa 120 de ordine de mărime.” Această problemă se numește și este unul dintre cele mai mari mistere nerezolvate ale științei, mulți fizicieni crezând că „vidul deține cheia unei înțelegeri complete a naturii”.Vezi de exemplu:
„vidul deține cheia înțelegerii depline a naturii” „Problema teoretică de explicare a constantei cosmologice este una dintre cele mai mari provocări ale fizicii teoretice. Foarte probabil că vom avea nevoie de o teorie complet dezvoltată a gravitației cuantice (poate teoria superstringurilor) înainte de a putea înțelege Λ."
Istorie Einstein a inclus constanta cosmologică ca termen în ecuațiile sale de câmp pentru relativitatea generală pentru că era nemulțumit că altfel ecuațiile lui nu ar fi permis, aparent, un : gravitația ar fi determinat contracția unui univers care inițial s-ar afla în echilibru dinamic. Pentru a contracara această posibilitate, Einstein a adăugat constanta cosmologică. Cu toate acestea, curând după ce Einstein și-a dezvoltat teoria statică, observațiile lui Edwin Hubble au arătat că universul pare să se extindă; aceasta era în concordanță cu existența unei soluții cosmologice la ecuațiile originale ale relativității generale, care fuseseră descoperite de matematicianul Friedmann, care lucra la ecuațiile Einstein din relativitatea generală. Einstein avea să vorbească despre faptul că nu a acceptat validitatea ecuațiilor sale când ele preziceau expansiunea universului în teorie, înainte ca aceasta să fie demonstrată prin observația deplasării spre roșii cosmologice drept „cea mai mare gafă” a lui.Există unele discuții dacă Einstein chiar a etichetat constanta cosmologică drept „cea mai mare gafă [a lui]”, toate referirile la această afirmație ducând la o singură persoană: George Gamow. (Vezi Gamow (1956, 1970).) De exemplu:
„Astrofizicianul și autorul Mario Livio nu poate găsi nicio atestare documentară care să pună aceste cuvinte în gura lui Einstein. În schimb, toate referințele duc la un singur om – fizicianul George Gamow – care a vorbit despre folosirea de către Einstein a acestei sintagme în două surse: publicația sa autobiografică publicată postum My World Line (1970) și un articol din Scientific American din septembrie 1956." „Găsim că este destul de plauzibil ca Einstein să-i fi spus acest lucru lui Gamow în particular. Tragem concluzia că nu prea există îndoială că Einstein a ajuns să considere introducerea constantei cosmologice ca o eroare gravă, și că este foarte plauzibil ca el să fi spus despre acest termen că este «cea mai mare gafă» cel puțin o dată”.
De fapt, adăugarea constantei cosmologice la ecuațiile lui Einstein nu conduce la un univers static în echilibru, deoarece echilibrul este instabil: dacă universul se extinde ușor, atunci expansiunea eliberează , ceea ce provoacă și mai multă extindere. De asemenea, un univers care se contractă ușor va continua să se contracte.
Cu toate acestea, constanta cosmologică a rămas un subiect de interes teoretic și empiric. Empiric, asaltul datelor cosmologice din ultimele decenii sugerează că universul nostru are o constantă cosmologică pozitivă. Explicația acestei valori mici dar pozitive este o provocare teoretică remarcabilă, așa-numita .
Unele generalizări timpurii ale teoriei gravitaționale a lui Einstein, cunoscute ca , fie introduceau o constanță cosmologică pe temei teoretic, fie descopereau că aceasta apare în mod natural din matematică. De exemplu, Sir Arthur Stanley Eddington a susținut că versiunea cu constantă cosmologică a ecuației de câmp a vidului exprimă proprietatea „epistemologică” că universul se „auto-reglează” și teoria pur a lui Erwin Schrödinger folosind un simplu a produs ecuația câmpului cu un termen cosmologic.
Ecuație dreapta|miniatura|353x353px| Rapoartele estimate ale materiei întunecate și energiei întunecate (care poate fi constanta cosmologică) în univers. Conform teoriilor actuale ale fizicii, energia întunecată domină acum ca cea mai mare sursă de energie a universului, spre deosebire de epoca anterioară, când era nesemnificativă. Constanta cosmologică apare în ecuația de câmp a lui Einstein în forma
unde tensorul/scalarul Ricci R și tensorul metric g descriu structura spațiu-timpului, tensorul energie-impuls T descrie densitatea de energie și impuls și fluxul materiei din acel punct în spațiu-timp, iar constantele universale G și c sunt factori de conversie care apar din utilizarea unităților tradiționale de măsurare. Atunci când λ este zero, aceasta se reduce la ecuația de câmp a relativității generale folosită de obicei la mijlocul secolului al XX-lea. Atunci când T este zero, ecuația de câmp descrie spațiul vid.
Constanta cosmologică are același efect ca o densitate intrinsecă de energie a vidului, ρvid (și o presiune asociată). În acest context, este frecvent mutat pe partea dreaptă a ecuației și definit cu un factor de proporționalitate de 8π : , unde sunt utilizate convențiile de unitate ale relativității generale (altfel factorii G și c apar și ei, adică , unde κ este ). Este comun să se citeze în mod direct valori ale densității energetice, deși se folosește încă denumirea „constantă cosmologică”, cu . Dimensiunea reală a lui este o lungime-2.
Date fiind valorile Planck (2018) pentru ΩΛ = și H0 = (km/s)/Mpc = , λ are valoarea de
Λ este evaluat ca .
sau în unități Planck reduse sau eV2 în unități naturale.
O densitate energetică de vid pozitivă rezultată dintr-o constantă cosmologică implică o presiune negativă și viceversa. Dacă densitatea energetică este pozitivă, presiunea negativă asociată va conduce la o expansiune accelerată a universului, așa cum se observă. (Vezi energie întunecată și inflație cosmică pentru detalii.)
Ω Λ (Omega Lambda) În loc de constanta cosmologică în sine, cosmologii se referă adesea la raportul dintre densitatea energetică datorată constantei cosmologice și a universului, punctul în care densitatea este suficientă pentru a opri universul să se extindă la nesfârșit. Acest raport este de obicei notat cu Ωλ, și este estimat la , potrivit rezultatelor publicate de în 2018.
Într-un univers plat, Ω Λ este fracțiunea de energie a universului datorată constantei cosmologice, adică ceea ce am numi intuitiv fracțiunea de univers care este alcătuită din energie întunecată. Această valoare se modifică însă în timp: densitatea critică se modifică cu , dar densitatea energetică datorată constantei cosmologice rămâne neschimbată pe tot parcursul istoriei universului: cantitatea de energie întunecată crește odată cu creșterea universului, în timp ce cantitatea de materie nu.
Ecuația de stare Un alt raport care este folosit de oamenii de știință este ecuația de stare, denumită de obicei w, care este raportul dintre presiunea pe care energia întunecată o pune asupra universului și energia pe unitatea de volum. Acest raport este pentru o constantă cosmologică adevărată și este, în general, diferit pentru formele de energie a vidului alternative, cum ar fi chintesența. Colaborarea Planck (2018) a măsurat w = , consistent cu valoarea , presupunând că nu există o evoluție a lui w în timp cosmic.
Valoare pozitivă miniatura| Lambda-CDM, expansiunea accelerată a universului. Timpul din această diagramă schematică se extinde de la epoca Big Bang / epoca de inflație de acum 13,7 miliarde de ani până la momentul cosmologic actual.