Explorando la forma del espacio-tiempo       

 

 

 

Desde el principio hasta el fin del Universo:  Explorando la forma del espacio-tiempo.

Por Avi Loeb

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero Ordáz. ALDA.

02 de febrero de 2021

 

El resplandor del Big Bang revela la geometría del Universo.

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Las ecuaciones de campo de Einstein describen la gravedad no como una fuerza, sino como una propiedad del espacio-tiempo, la estructura del Universo. La Tierra viaja alrededor del Sol en una órbita circular porque la masa del Sol deforma el espacio-tiempo a su alrededor como una bola de boliche en un trampolín. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.

 

En la antigüedad, estudiosos como Aristóteles pensaban que los objetos pesados ​​caerían más rápido que los objetos livianos bajo la influencia de la gravedad. Hace aproximadamente cuatro siglos y medio, Galileo Galilei decidió probar esta suposición experimentalmente. Dejó caer objetos de diferentes masas desde la Torre de Pisa y descubrió que la gravedad en realidad hace que todos caigan de la misma manera. Más de 300 años después, Albert Einstein quedó impresionado por el hallazgo de Galileo. Se dio cuenta de que si todos los objetos siguen la misma trayectoria bajo la gravedad, entonces la gravedad podría no ser una fuerza, sino una propiedad del espacio-tiempo, el tejido del Universo, que todos los objetos experimentan de la misma manera.

 

 

En uno de los avances más importantes de la física moderna, Einstein  reconoció que cuando el espacio-tiempo es curvo, los objetos no siguen líneas rectas. Calculó que la Tierra, por ejemplo, orbita al Sol en un círculo porque el Sol curva el espacio-tiempo en su vecindad. Esto es similar a la trayectoria de una pelota en la superficie de un trampolín cuyo centro es abrumado por una persona.

 

 

En noviembre de 1915, Einstein publicó las ecuaciones matemáticas que  sentaron las bases de su teoría general de la relatividad. Estas ecuaciones describen el vínculo entre la materia y el espacio-tiempo en el que reside, mostrando que la masa deforma el espacio-tiempo e influye en el camino de la materia. En palabras del físico John Wheeler: "El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse y la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse".

 

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La solución de Schwarzschild a las ecuaciones de Einstein describe el espacio-tiempo alrededor de una masa esférica. Dada suficiente masa empaquetada en un espacio lo suficientemente pequeño, un agujero negro, la teoría de Einstein se descompone en el punto central, llamado singularidad. Los teóricos sospechan que una vez que se incorporen los efectos cuánticos, esta ruptura desaparecerá. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.

 

La solución de Schwarzschild.

 

Unos meses más tarde, mientras servía en el frente alemán durante la  Primera Guerra Mundial, Karl Schwarzschild se convirtió en el primero en derivar una solución a las ecuaciones de Einstein. Su solución describe el espacio-tiempo curvo alrededor de un punto de masa, etiquetado por Wheeler medio siglo después como un "agujero negro". La solución de Schwarzschild mostró que la curvatura del espacio-tiempo diverge hasta el infinito en el punto más central. Este punto se llama singularidad porque es el punto singular donde la teoría de Einstein se rompe.

 

 

El colapso se produce porque a la teoría de Einstein le falta un componente  clave: la mecánica cuántica. A pesar de muchos intentos de unificar la relatividad general con la mecánica cuántica (como las versiones de la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles), todavía no tenemos una versión verificada experimentalmente de la teoría.

 

 

Con alegría, el resto del espacio-tiempo está protegido de la descripción  incierta de la singularidad. La solución de Schwarzschild proporciona un horizonte de eventos esférico que rodea la singularidad en el llamado radio de Schwarzschild. La extensión de este radio se escala con la masa del objeto dentro. Ninguna información puede escapar del interior de este horizonte de eventos, por lo que no podemos ver la singularidad de un agujero negro.

 

El tejido del cosmos.

 

Pero las ecuaciones de Einstein no se aplican únicamente al espacio-tiempo alrededor de un agujero negro. También describen la evolución del Universo en general.

 

 

Conocemos varios hechos de la observación del Universo durante el siglo pasado. Primero, el Universo se está expandiendo. En segundo lugar, en escalas muy grandes, el Universo en expansión es casi homogéneo (lo que significa que tiene la misma densidad de materia y radiación) e isotrópico (lo que significa que tiene la misma tasa de expansión en todas las direcciones).

 

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Aunque es una simplificación, la estructura del espacio-tiempo se puede imaginar como un plano que puede curvarse en una esfera, una silla de montar o una superficie plana. En cada caso, la curvatura del espacio-tiempo sería positiva, negativa o plana, respectivamente. Un triángulo dibujado en un Universo con curvatura positiva tendría ángulos internos que suman más de 180°; un triángulo dibujado en un Universo negativo encerraría menos de 180°. En un Universo plano, los ángulos suman exactamente 180°. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.

 

En estas circunstancias, Alexander Friedmann, Georges Lemaître, Howard  Robertson y Arthur Walker derivaron una solución esféricamente simétrica a las ecuaciones de Einstein que describe nuestro Universo y su espacio-tiempo. La curvatura del espacio-tiempo en esta solución puede ser positiva (como la superficie de una pelota), negativa (la superficie de una silla de montar) o cero (una superficie plana).

 

 

En el espíritu de Galileo, ¿podemos medir experimentalmente la geometría  cósmica real? El enfoque experimental más simple es dibujar un gran triángulo a través del Universo y medir la suma de sus ángulos. Para una curvatura negativa o positiva, la suma sería menor o mayor que 180°, respectivamente, mientras que para una geometría plana sería exactamente 180°.

 

 

El cosmos ha tenido la amabilidad de incrustar la base de este triángulo en el  fondo cósmico de microondas (CMB). Al principio, el Universo era cálido y denso. La sopa cósmica de partículas se enfrió a una temperatura por debajo de 4.000 Kelvin (aproximadamente 6.700 grados Fahrenheit o 3.700 grados Celsius) 380.000 años después del Big Bang, momento en el que los electrones y protones se "recombinaron" para formar átomos de hidrógeno y el Universo se volvió transparente para el CMB, permitiendo que su luz viaje sin obstáculos. Por tanto, las observaciones del CMB nos permiten presenciar el Universo en el momento de la recombinación.

 

 

El brillo del CMB no es perfectamente uniforme en todo el cielo; varía  aproximadamente una parte en 100.000 en una amplia gama de escalas angulares. Pero hay una escala especial en la época de la recombinación que los cosmólogos pueden calcular: la distancia que atravesaron las ondas sonoras (acústicas) en el transcurso de estos primeros 380.000 años del Universo. Esta escala acústica puede servir como base conocida de nuestro triángulo. Significa la separación espacial de las parcelas del gas cósmico que podrían haber estado en contacto acústico entre sí. Al medir esta escala de correlación especial para las fluctuaciones de brillo CMB en el cielo, podemos dibujar un triángulo isósceles con la Tierra en el vértice. Conocer la altura y la longitud de la base del triángulo, así como medir el ángulo que abarca la escala acústica en el cielo,

 

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Nuestro universo plano.

 

Los investigadores realizaron este experimento en el año 2000 y luego refinaron la medición a un alto nivel de precisión con los últimos datos del satélite Planck. El resultado reveló que la geometría del Universo es la más simple que podemos imaginar: ¡plana!

 

 

¿Por qué el Universo es tan simple? Obviamente, la naturaleza no tiene la obligación de representar la solución más simple a las ecuaciones de Einstein.

 

 

La teoría de la inflación cósmica proporciona una posible explicación. Si el Universo atravesó un período temprano durante el cual se infló exponencialmente, entonces todos los rastros de su curvatura inicial se aplanarían. La inflación sirve como hierro cósmico, borrando todas las arrugas preexistentes del espacio-tiempo. Las fluctuaciones cuánticas del vacío durante la inflación podrían haber llevado a las ligeras fluctuaciones de brillo del CMB que luego sembraron la formación de galaxias como la Vía Láctea. Si nuestras raíces cósmicas se formaron entonces, debemos nuestra existencia al reino cuántico.

 

 

Curiosamente, nuestro Universo en expansión está entrando ahora en una nueva fase de expansión exponencial, debido a la energía oscura. Aquí nuevamente, no tenemos idea de cuánto durará esta fase inflacionaria. Si continúa durante más de 10 veces la edad actual del Universo, nuestra galaxia se quedará sola, rodeada de oscuridad sin otra fuente de luz a la vista. Sería la encarnación más dramática del distanciamiento social de las civilizaciones extragalácticas que podamos imaginar después de la era del COVID-19.

 

 

Fuentes:

https://astronomy.com/magazine/news/2021/02/the-beginning-to-the-end-of-the-universe-exploring-the-shape-of-space-time