Puede que el título de este artículo no parezca una broma inteligente. Según el concepto cosmológico generalmente aceptado, la teoría del Big Bang, nuestro Universo surgió de un estado extremo de vacío físico generado por una fluctuación cuántica. En este estado, ni el tiempo ni el espacio existían (o estaban enredados en la espuma del espacio-tiempo), y todas las interacciones físicas fundamentales se fusionaron. Más tarde se separaron y adquirieron una existencia independiente, primero la gravedad, luego la interacción fuerte, y solo entonces, débil y electromagnética.
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La teoría del Big Bang cuenta con la confianza de la mayoría absoluta de los científicos que estudian la historia temprana de nuestro universo. Realmente explica mucho y no contradice los datos experimentales de ninguna manera. Recientemente, sin embargo, tiene un rival frente a una nueva teoría cíclica, cuyos fundamentos fueron desarrollados por dos físicos extraclase: el director del Instituto de Ciencias Teóricas de la Universidad de Princeton Paul Steinhardt y el laureado con la Medalla Maxwell y el prestigioso premio internacional TED Neil Turok, director del Instituto Canadiense de Estudios Avanzados en Teoría. Física (Instituto Perimetral de Física Teórica). Con la ayuda del profesor Steinhardt, Popular Mechanics intentó hablar sobre la teoría cíclica y las razones de su aparición.
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El momento que precede a los eventos, cuando “primero gravedad, luego interacción fuerte, y solo entonces - débil y electromagnético”. Apareció, se acostumbra designar como tiempo cero, t = 0, pero esto es pura convención, un tributo al formalismo matemático. Según la teoría estándar, el flujo continuo del tiempo comenzó solo después de que la fuerza de gravedad se independizó. Este momento generalmente se atribuye al valor t = 10-43 s (más precisamente, 5.4x10-44 s), que se llama tiempo de Planck. Las teorías físicas modernas simplemente no pueden funcionar de manera significativa con períodos de tiempo más cortos (se cree que esto requiere una teoría cuántica de la gravedad, que aún no se ha creado). En el contexto de la cosmología tradicional, no tiene sentido hablar de lo que sucedió antes del momento inicial en el tiempo,porque el tiempo en nuestro entendimiento simplemente no existía entonces.
El concepto de inflación es una parte esencial de la teoría cosmológica estándar (ver recuadro). Después del fin de la inflación, la gravedad se impuso y el Universo continuó expandiéndose, pero a un ritmo decreciente. Esta evolución se prolongó durante 9 mil millones de años, tras lo cual entró en acción otro campo antigravitacional de naturaleza aún desconocida, que se denomina energía oscura. Nuevamente llevó al Universo a un modo de expansión exponencial, que, al parecer, debería permanecer en tiempos futuros. Cabe señalar que estas conclusiones se basan en descubrimientos astrofísicos realizados a finales del siglo pasado, casi 20 años después de la aparición de la cosmología inflacionaria.
La interpretación inflacionaria del Big Bang se propuso por primera vez hace unos 30 años y se ha refinado muchas veces desde entonces. Esta teoría permitió resolver varios problemas fundamentales que la cosmología anterior no pudo afrontar. Por ejemplo, explicó por qué vivimos en un universo con geometría euclidiana plana; de acuerdo con las ecuaciones clásicas de Friedmann, esto es exactamente lo que debería hacer con la expansión exponencial. La teoría inflacionaria explicaba por qué la materia cósmica es granular en una escala que no excede los cientos de millones de años luz y se distribuye uniformemente en grandes distancias. También dio una interpretación del fracaso de cualquier intento de detectar monopolos magnéticos, partículas muy masivas con un solo polo magnético, que se cree que sonnacieron en abundancia antes del inicio de la inflación (la inflación ha estirado el espacio exterior de modo que la densidad inicialmente alta de monopolos se redujo a casi cero y, por lo tanto, nuestros instrumentos no pueden detectarlos).
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Poco después de la aparición del modelo inflacionario, varios teóricos se dieron cuenta de que su lógica interna no contradecía la idea del nacimiento múltiple permanente de cada vez más universos nuevos. De hecho, las fluctuaciones cuánticas, como aquellas a las que debemos nuestro mundo para existir, pueden ocurrir en cualquier cantidad, siempre que las condiciones sean las adecuadas. No se excluye que nuestro universo haya abandonado la zona de fluctuación formada en el mundo predecesor. De la misma manera, se puede suponer que en algún momento y en algún lugar de nuestro propio Universo se forma una fluctuación, que "explota" un universo joven de un tipo completamente diferente, también capaz de "procreación" cosmológica. Hay patrones en los que estos universos infantiles emergen continuamente, se ramifican de sus padres y encuentran su propio lugar. Además, no es en absoluto necesario que se establezcan las mismas leyes físicas en tales mundos. Todos estos mundos están "anidados" en un único continuo espacio-tiempo, pero están tan separados que no sienten la presencia del otro de ninguna manera. En general, el concepto de inflación permite - ¡además, obliga! - creer que en el gigantesco megacosmos hay muchos universos aislados con ordenaciones diferentes.
A los físicos teóricos les encanta encontrar alternativas incluso a las teorías más generalmente aceptadas. El modelo inflacionario del Big Bang también tiene competidores. No recibieron un apoyo amplio, pero lo hicieron y tienen sus propios seguidores. La teoría de Steinhardt y Turok entre ellos no es la primera y ciertamente no la última. Sin embargo, hoy se ha desarrollado con más detalle que los demás y explica mejor las propiedades observadas de nuestro mundo. Tiene varias versiones, algunas de las cuales se basan en la teoría cuántica de cuerdas y espacios multidimensionales, mientras que otras se basan en la teoría cuántica de campos tradicional. El primer enfoque ofrece imágenes más vívidas de los procesos cosmológicos, por lo que nos detendremos en él.
La versión más avanzada de la teoría de cuerdas se conoce como teoría M. Ella afirma que el mundo físico tiene 11 dimensiones: diez espaciales y una temporal. En él flotan espacios de dimensiones inferiores, las llamadas branas. Nuestro universo es solo una de estas branas, con tres dimensiones espaciales. Está lleno de varias partículas cuánticas (electrones, quarks, fotones, etc.), que de hecho son cuerdas vibratorias abiertas con una sola dimensión espacial: la longitud. Los extremos de cada hilo están firmemente fijados dentro de una brana tridimensional y el hilo no puede salir de la brana. Pero también hay cadenas cerradas que pueden migrar fuera de las branas: estos son gravitones, cuantos del campo gravitacional.
¿Cómo explica la teoría cíclica el pasado y el futuro del universo? Comencemos con la era actual. El primer lugar ahora pertenece a la energía oscura, que está haciendo que nuestro universo se expanda exponencialmente, duplicando periódicamente su tamaño. Como resultado, la densidad de la materia y la radiación cae constantemente, la curvatura gravitacional del espacio se debilita y su geometría se vuelve cada vez más plana. Durante los próximos billones de años, el tamaño del universo se duplicará unas cien veces y se convertirá en un mundo casi vacío, completamente desprovisto de estructuras materiales. Junto a nosotros hay otra brana tridimensional, separada de nosotros por una pequeña distancia en la cuarta dimensión, y también sufre una expansión exponencial y un aplanamiento similar. Durante todo este tiempo, la distancia entre las branas se mantiene prácticamente sin cambios.
Y luego estas branas paralelas comienzan a converger. Son empujados uno hacia el otro por un campo de fuerza, cuya energía depende de la distancia entre las branas. Ahora, la densidad de energía de dicho campo es positiva, por lo que el espacio de ambas branas se está expandiendo exponencialmente; por lo tanto, es este campo el que proporciona el efecto que se explica por la presencia de energía oscura. Sin embargo, este parámetro está disminuyendo gradualmente y en un billón de años caerá a cero. Ambas branas continuarán expandiéndose de todos modos, pero no exponencialmente, pero a un ritmo muy lento. En consecuencia, en nuestro mundo, la densidad de partículas y radiación seguirá siendo casi cero y la geometría permanecerá plana.
Pero el final de la vieja historia es solo el preludio del próximo ciclo. Las branas se mueven una hacia la otra y finalmente chocan. En esta etapa, la densidad de energía del campo entre ramas cae por debajo de cero y comienza a actuar como la gravedad (¡recuerde que la gravedad tiene energía potencial negativa!). Cuando las branas están muy cerca, el campo interbrana comienza a amplificar las fluctuaciones cuánticas en cada punto de nuestro mundo y las transforma en deformaciones macroscópicas de geometría espacial (por ejemplo, en una millonésima de segundo antes de la colisión, el tamaño calculado de tales deformaciones alcanza varios metros). Después de la colisión, es en estas zonas donde se libera la mayor parte de la energía cinética liberada durante el impacto. Como resultado, es allí donde se produce la mayor parte del plasma caliente con una temperatura de aproximadamente 1023 grados. Son estas regiones las que se convierten en nodos gravitacionales locales y en los embriones de futuras galaxias.
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Tal colisión reemplaza al Big Bang de la cosmología inflacionaria. Es muy importante que toda la materia recién formada con energía positiva aparezca debido a la energía negativa acumulada del campo interprofesional, por lo que no se viola la ley de conservación de la energía.
¿Cómo se comporta un campo así en este momento crucial? Antes de la colisión, la densidad de su energía alcanza un mínimo (y negativo), luego comienza a aumentar y, tras la colisión, se vuelve cero. Entonces, las branas se repelen entre sí y comienzan a dispersarse. La densidad de la energía interramificada pasa por la evolución inversa: nuevamente se vuelve negativa, cero, positiva. La brana, enriquecida con materia y radiación, primero se expande a una velocidad decreciente bajo el efecto de frenado de su propia gravitación, y luego pasa nuevamente a una expansión exponencial. El nuevo ciclo termina como el anterior, y así hasta el infinito. Los ciclos que precedieron al nuestro también ocurrieron en el pasado; en este modelo, el tiempo es continuo, por lo que el pasado existe más allá de los 13.700 millones de años que han pasado desde el último enriquecimiento de nuestra brana con materia y radiación. Si tuvieron algún comienzo, la teoría no dice nada.
La teoría cíclica explica las propiedades de nuestro mundo de una manera nueva. Tiene una geometría plana, ya que al final de cada ciclo se estira excesivamente y solo se deforma levemente antes de comenzar un nuevo ciclo. Las fluctuaciones cuánticas, que se convierten en las precursoras de las galaxias, surgen caóticamente, pero en promedio de manera uniforme; por lo tanto, el espacio exterior está lleno de aglomeraciones de materia, pero a distancias muy grandes es bastante homogéneo. No podemos detectar monopolos magnéticos simplemente porque la temperatura máxima del plasma recién nacido no excedió los 1023 K, y se requieren energías mucho más altas para la aparición de tales partículas, del orden de 1027 K.
La teoría cíclica existe en varias versiones, al igual que la teoría de la inflación. Sin embargo, según Paul Steinhardt, las diferencias entre ellos son puramente técnicas e interesantes sólo para los especialistas, el concepto general permanece inalterado: “Primero, en nuestra teoría no hay momento del comienzo del mundo, no hay singularidad. Hay fases periódicas de intensa creación de materia y radiación, cada una de las cuales, si se desea, puede denominarse Big Bang. Pero ninguna de estas fases marca el surgimiento de un nuevo universo, sino solo una transición de un ciclo a otro. Tanto el espacio como el tiempo existen tanto antes como después de cualquiera de estos cataclismos. Por tanto, es bastante natural preguntarse cuál era el estado de cosas 10 mil millones de años antes del último Big Bang, a partir del cual se cuenta la historia del universo.
La segunda diferencia clave es la naturaleza y el papel de la energía oscura. La cosmología inflacionaria no predijo la transición de una expansión desacelerada del Universo a una acelerada. Y cuando los astrofísicos descubrieron este fenómeno al observar las explosiones de supernovas distantes, la cosmología estándar ni siquiera sabía qué hacer al respecto. La hipótesis de la energía oscura se presentó simplemente para vincular de alguna manera los resultados paradójicos de estas observaciones con la teoría. Y nuestro enfoque está mucho mejor sellado por la lógica interna, ya que inicialmente tenemos energía oscura y es esta energía la que asegura la alternancia de los ciclos cosmológicos ". Sin embargo, como señala Paul Steinhardt, la teoría cíclica también tiene puntos débiles: “Todavía no hemos logrado describir de manera convincente el proceso de colisión y rebote de las branas paralelas que tiene lugar al comienzo de cada ciclo. Otros aspectos de la teoría cíclica están mucho mejor desarrollados, pero aún quedan muchas ambigüedades por aclarar ".
Pero incluso los modelos teóricos más bellos necesitan verificación experimental. ¿Se puede confirmar o refutar la cosmología cíclica mediante observaciones? “Tanto las teorías inflacionarias como las cíclicas predicen la existencia de ondas gravitacionales reliquia”, explica Paul Steinhardt. - En el primer caso, surgen de fluctuaciones cuánticas primarias, que se difunden en el espacio durante la inflación y generan oscilaciones periódicas de su geometría, y estas, según la relatividad general, son ondas gravitacionales. En nuestro escenario, las fluctuaciones cuánticas también son la causa principal de tales ondas, las mismas que se amplifican por las colisiones de branas. Los cálculos han demostrado que cada mecanismo genera ondas con un espectro específico y una polarización específica. Se requería que estas ondas dejaran huellas en la radiación cósmica de microondas, que es una fuente invaluable de información sobre el espacio primitivo. Hasta ahora, no se han encontrado tales rastros, pero lo más probable es que esto se haga en la próxima década. Además, los físicos ya están pensando en el registro directo de ondas gravitacionales reliquia utilizando naves espaciales, que aparecerán en dos o tres décadas.
Otra diferencia, según el profesor Steinhardt, es la distribución de temperatura de la radiación de microondas de fondo: “Esta radiación proveniente de diferentes partes del cielo no es del todo uniforme en temperatura, tiene zonas cada vez menos calientes. En el nivel de precisión de medición proporcionada por los equipos modernos, el número de zonas frías y calientes es aproximadamente el mismo, lo que coincide con las conclusiones de ambas teorías: inflacionaria y cíclica. Sin embargo, estas teorías predicen diferencias más sutiles entre zonas. En principio, podrán identificar el observatorio espacial europeo 'Planck' lanzado el año pasado y otras naves espaciales más nuevas. Espero que los resultados de estos experimentos ayuden a elegir entre las teorías inflacionarias y cíclicas. Pero también puede pasarque la situación seguirá siendo incierta y que ninguna de las teorías recibirá un apoyo experimental inequívoco. Bueno, entonces tendré que pensar en algo nuevo.
Según el modelo inflacionario, poco después de su nacimiento, el Universo se expandió exponencialmente durante muy poco tiempo, duplicando sus dimensiones lineales muchas veces. Los científicos creen que el comienzo de este proceso coincidió en el tiempo con la separación de la interacción fuerte y ocurrió en una marca de tiempo de 10-36 s. Tal expansión (con la mano ligera del físico teórico estadounidense Sidney Coleman, se llamó inflación cosmológica) fue extremadamente breve (hasta 10-34 s), pero aumentó las dimensiones lineales del Universo por lo menos 1030-1050 veces, y posiblemente mucho más. Según la mayoría de los escenarios específicos, la inflación fue lanzada por un campo escalar cuántico antigravitacional, cuya densidad de energía disminuyó gradualmente y finalmente alcanzó un mínimo. Antes de que esto sucediera, el campo comenzó a oscilar rápidamente,generando partículas elementales. Como resultado, al final de la fase inflacionaria, el Universo estaba lleno de un plasma supercaliente que constaba de quarks libres, gluones, leptones y cuantos de radiación electromagnética de alta energía.
Una alternativa radical
En la década de 1980, el profesor Steinhardt hizo una contribución significativa al desarrollo de la teoría estándar del Big Bang. Sin embargo, esto no le impidió buscar una alternativa radical a la teoría, en la que se había invertido tanto trabajo. Como dijo el propio Paul Steinhardt a Popular Mechanics, la hipótesis de la inflación revela muchos misterios cosmológicos, pero esto no significa que no tenga sentido buscar otras explicaciones: “Al principio, solo estaba interesado en tratar de comprender las propiedades básicas de nuestro mundo sin recurrir a la inflación. Más tarde, cuando profundicé en este tema, me convencí de que la teoría inflacionaria no es tan perfecta como afirman sus defensores. Cuando recién se estaba creando la cosmología inflacionaria, esperábamos que explicara la transición del estado caótico inicial de la materia al Universo ordenado actual. Ella lo hizo, pero fue mucho más lejos.
La lógica interna de la teoría exigía reconocer que la inflación crea constantemente un número infinito de mundos. Esto no sería un gran problema si su dispositivo físico copiara el nuestro, pero esto simplemente no funciona. Por ejemplo, con la ayuda de la hipótesis inflacionaria, fue posible explicar por qué vivimos en un mundo euclidiano plano, pero después de todo, la mayoría de los otros universos ciertamente no tendrán la misma geometría. En resumen, estábamos construyendo una teoría para explicar nuestro propio mundo, y se salió de control y generó una variedad interminable de mundos exóticos. Este estado de cosas dejó de complacerme. Además, la teoría estándar es incapaz de explicar la naturaleza del estado anterior, que precedió a la expansión exponencial. En este sentido, es tan incompleto como la cosmología preinflacionaria. Finalmente,no puede decir nada sobre la naturaleza de la energía oscura, que ha estado impulsando la expansión de nuestro universo durante 5 mil millones de años.
