El Modelo Cosmológico Estándar

Descripción y análisis

El modelo cosmológico estándar (ΛCDM), que hoy es la descripción dominante del universo en cosmología física:  fundamentos, fortalezas, lagunas teóricas y problemas no resueltos. 

1. Qué es el Modelo Cosmológico Estándar (ΛCDM)

Describe el universo como:

• Λ → constante cosmológica (energía oscura).
• CDM → materia oscura fría (Cold Dark Matter).
• Geometría relativista basada en Relatividad General.
• Evolución desde una fase temprana caliente y densa (Big Bang).

División energética aproximada del universo:

Componente: Energía oscura (Λ);  ~68%

Componente: Materia oscura (CDM); ~27%

Componente: Materia bariónica visible; ~5%

Es altamente predictivo y ha sido confirmado por observaciones clave como:

• Fondo cósmico de microondas (CMB)
• Energía oscura vía supernovas tipo Ia
• Distribución de galaxias / estructuras a gran escala
• Oscilaciones acústicas bariónicas

Sin embargo, ser predictivo no significa completo ni conceptualmente coherente.

2. Fortalezas del Modelo

• Explica con precisión datos observacionales (las anisotropías del CMB coinciden con el modelo hasta 99% de precisión estadística).
• Reproduce la formación de estructuras (Simulaciones cosmológicas -Illustris, Millennium- encajan con galaxias reales.
• Integra la Relatividad General (Es matemáticamente consistente dentro de su marco).

El problema no es empírico: es filosófico y ontológico.

3. Problemas críticos y controversias

La materia oscura no ha sido detectada directamente

Desde 1930 no se han detectado partículas en experimentos (XENON1T, LUX-ZEPLIN, etc.).

• Es posible que la materia oscura sea una señal de fallos en la gravedad, no una sustancia física.
• Modelos alternativos: MOND, TeVeS, emergent gravity (Verlinde).

¿Realmente existe la materia oscura o es un ajuste paramétrico?

 Energía oscura = parámetro sin explicación física

Λ es una constante matemática que encaja datos, pero:

• no sabemos qué es
• “Λ no encaja con ninguna predicción cuántica consistente y verificable.”
• “No existe una teoría cuántica satisfactoria que derive el valor observado de Λ.”
• predice una constante del vacío 120 órdenes de magnitud diferente de la predicha por la teoría cuántica de campos (peor discrepancia teórica de la historia de la física)

El modelo describe cómo acelera el universo, no por qué.

 Asume inflación, pero la inflación no tiene origen verificable

La inflación soluciona problemas del Big Bang:

• homogeneidad
• isotropía
• horizonte
• planitud
• monopolos magnéticos

Pero introduce otros problemas:

• no sabemos qué campo la causó → "inflaton" no observado
• modelos inflacionarios infinitos → multiverso no falsable
• puede ser una hipótesis ad hoc para salvar el modelo

Roger Penrose la llamó:

"una propuesta altamente ajustada y no probada."

 Hubble tension: discrepancia con expansión observada

Las mediciones locales (supernovas, lentes gravitacionales) dan una tasa de expansión distinta a la inferida del CMB.

• CMB → ~67 km/s/Mpc
• Observaciones locales → ~73 km/s/Mpc

La discrepancia es demasiado grande para ser error experimental → podría indicar:

• física más allá de ΛCDM
• nueva energía oscura temprana
• ruptura de la homogeneidad
• fallo en la Relatividad General a gran escala

  Problemas de formación de galaxias a pequeña escala

Simulaciones ΛCDM predicen cosas que no se observan:

Predicción: Miles de galaxias satélite

Observación: Hay pocas

Predicción: Concentraciones cuspy (picos de densidad)

Observación: Se observan perfiles suaves

Predicción: Estructuras esféricas

Observación: Se observan planos galácticos

Esto sugiere que la materia oscura fría podría no ser correcta. 

4. Crítica filosófica

El modelo depende de entidades no observadas (materia oscura, energía oscura, inflación), lo que recuerda a la crítica de Duhem-Quine:

Cuando los datos no encajan, puedes ajustar parámetros en vez de cambiar la teoría.

Y eso plantea la cuestión:

¿El modelo es científicamente robusto o solo matemáticamente conveniente? 

5. Posibles reemplazos o extensiones

Alternativa: MOND / TeVeS

Idea base: gravedad modificada

Ventaja: No requiere materia oscura en galaxias 

Alternativa: f(R), f(G)

Idea base: modificación de Relatividad General

Ventaja: Explica aceleración sin Λ

Alternativa: Modelos cíclicos (Penrose, Steinhardt)

Idea base: universo eterno

Ventaja: No necesita inflación

Alternativa: Universo holográfico

Idea base: gravedad emergente

Ventaja: Materia oscura como efecto térmico del vacío

Alternativa: Varios campos oscuros

Idea base: más allá de CDM

Ventaja: ajusta tension de Hubble

 6. Conclusión general

El Modelo Cosmológico Estándar no es falso — funciona excepcionalmente bien como modelo descriptivo — pero:

• Es incompleto porque describe fenómenos sin explicar sus causas.
• Es empírico y computacionalmente exitoso, pero metafísicamente frágil.
• Podría ser un modelo provisional, no una teoría final del universo.

ΛCDM es como la mecánica de Ptolomeo: útil, preciso, pero lleno de parches.

La cosmología probablemente está a un descubrimiento de laboratorio o teórico de romper este modelo y reemplazarlo.