¿Qué significa el modelo cíclico para el Big Bang?      

 

 

Por Sophie Putka.

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

20 de agosto de 2021.

 

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El Big Crunch: en esta teoría sobre los orígenes del Universo, el Big Bang no fue el comienzo, sino un patrón repetido de expansión y contracción. Crédito: Vadim Sadovski / Shutterstock.

 

En los rincones del mundo de la cosmología de Paul Steinhardt, decir que la historia se  repite sería un eufemismo ridículo. Eso es porque, según él y un puñado de compañeros, la forma del Universo podría estar lanzándose hacia un nuevo ciclo cada billón de años más o menos.

 

“Cien millones de años suena como mucho tiempo, pero cósmicamente es como  mañana”, dice Steinhardt.

 

El profesor de física y director del Princeton Center for Theoretical Science fue coautor de un artículo sobre este tema, A Cyclic Model of the Universe, con Neil Turok. El modelo cíclico del Universo que ayudó a ser pionero es solo eso: una teoría de que el Universo se forma una y otra vez en ciclos.

 

Los defensores de este modelo nos piden que reconsideremos el Big Bang y la rápida  inflación del Universo. Sostienen que hacerlo podría llenar algunas de las brechas más grandes en nuestra comprensión común de la forma en que funcionan el espacio y el tiempo.

 

El Big Bang y el modelo de inflación.

La comprensión generalmente aceptada del Universo es la siguiente: hace unos 14 mil millones de años, ocurrió el Big Bang. En sus primeros segundos, las leyes de la física tal como las entendemos no se aplicaban. Todo lo que eventualmente se convertiría en materia estalló en cuestión de segundos: primero partículas, como electrones y fotones, y finalmente neutrones y protones, los componentes básicos de nuestros átomos. Las primeras semillas de estrellas, planetas y galaxias se expandieron desde ese punto trascendental en el tiempo y el espacio. Se extendió de tal manera que el Universo se volvió muy suave.

 

La suavidad, en una escala enorme, solo significa que las cosas dentro del Universo están distribuidas de manera relativamente uniforme. Es decir, si pusiera un cubo alrededor de una sección del Universo, no sería mucho más denso que otro cubo colocado al azar. En una escala más pequeña, como entre galaxias o dentro de un sistema solar, la materia es "grumosa" y está llena de cúmulos.

 

Los físicos teorizan que poco después del Big Bang ocurrió algo llamado "inflación". Esencialmente, lo que alguna vez fue un Universo diminuto y empaquetado se expandió rápidamente en una fracción de segundo, y continúa expandiéndose hoy. La inflación es parte del modelo estándar actual del Universo, llamado modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM). En LCDM, la forma de la trayectoria del Universo se ve, en algunas representaciones, como un embudo, con su parte superior ancha creciendo y extendiéndose más hacia afuera con el tiempo.

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Crédito: Andrea Danti / Shutterstock.

 

Esa es una interpretación. Pero hay otros que han surgido de los mismos bits de  información que los científicos pueden observar y medir en la vida real, es decir, la astronomía observacional. La información de la vida real es crucial si los científicos van a utilizar modelos para hacer predicciones reales sobre el futuro de nuestro cosmos.

 

"La cosmología es una especie de trabajo en equipo, necesitas que algunas personas se  centren en cosas realmente pragmáticas y de observación y necesitas que la gente se dedique a la ciencia ficción", dice Leonardo Giani, investigador postdoctoral en la Universidad de Queensland en Australia, cuyos estudios se centran en alternativas modelos del Universo además del modelo estándar. "Así es como va."

 

Lo que sabemos con certeza.

Astrofísica teórica es todo acerca de conjeturas que tienen la forma de las pocas cosas  que sí sabemos con certeza. Algo llamado Fondo Cósmico de Microondas (CMB) contribuye a una gran parte de esa información observable. El CMB está formado por los rastros de radiación que quedan de una fase temprana del Universo. Los radiotelescopios pueden captarlo y luego traducir las ondas en una especie de imagen de mapa de calor.

 

En realidad, esta imagen nos muestra cómo se distribuyó el contenido del Universo unos 400.000 años después del Big Bang, la primera instantánea observable de un Universo desprovisto de estrellas, sistemas solares y galaxias. Todo estaba más cerca y casi uniforme, a excepción de pequeñas fluctuaciones que se convirtieron en la materia que formaba estrellas y galaxias. Esta imagen sirve como evidencia de que el Universo comenzó a compactarse y se ha expandido hasta donde está hoy.

 

También sabemos que el Universo continúa expandiéndose e incluso puede medir, hasta cierto punto, qué tan rápido lo está haciendo. El CMB también sirve para confirmar que una versión anterior del Universo estaba muy caliente y nuestra era es mucho más fría.

 

Problemas con nuestro modelo actual.

Steinhardt dice que surgen varios problemas con el modelo de inflación, que a su vez  amplió y corrigió modelos anteriores que surgieron de la teoría del Big Bang. Se suponía que el modelo de inflación explicaría por qué, por ejemplo, el Universo parece tan homogéneo a gran escala sin las mismas condiciones iniciales. Pero, dice Steinhardt, hay tantas posibilidades que surgen de un modelo inflacionario que hace que el modelo en sí sea menos útil.

 

Los modelos anteriores, dice Steinhardt, no descartan las predicciones sobre el cosmos  que estén equivocadas. “Es como si hubiera venido a explicarte por qué el cielo es azul, pero luego, cuando miras mi teoría más de cerca, '¡Oh! Mi teoría también podría haber predicho rojo, verde, lunares, rayas, colores aleatorios”, dice Steinhardt. “Y luego dices 'Está bien, ¿de qué sirve esa teoría?".

 

Luego está el problema de la singularidad. La teoría de la inflación, argumenta  Steinhardt, también se atasca en el punto "antes" del Big Bang, porque según ella, no hay nada antes. “El problema filosófico fundamental del Big Bang es que hay un después, pero no un antes”, dice Steinhardt. "De manera similar, no sabemos 'solo una vez' cosas que sucedieron en la historia".

 

Matemáticamente, el Big Bang parece provenir de un estado indefinido, algo que no se  explica por las leyes de la física según la teoría de la relatividad general de Einstein. Esto también se denomina "singularidad". Para Steinhardt, pero no para todos, ese es el equivalente matemático de una bandera roja. “Todos aprendimos en la escuela, cuando obtienes uno sobre cero como respuesta, estás en problemas, porque esa es una respuesta sin sentido. Cometiste un error."

 

En un problema relacionado, también existe cierta dificultad para reconciliar la teoría de  la inflación con la teoría de cuerdas y la mecánica cuántica, dice Steinhardt. Si el modelo describiera correctamente el Universo, otros marcos físicos aceptados estarían de acuerdo con él. En cambio, Steinhardt dice que están en desacuerdo. "Cuando uno piensa en cosmología, a menudo se cruzan campos de pensamiento, que están bastante distantes, ya sea en el lado de los astros o en el lado de la física fundamental y ver, ¿encajan?" El modelo cíclico, dice, ayuda a hacer esto.

 

El modelo cíclico y sus derivados.

Un modelo cíclico del Universo está diseñado para resolver algunos de los problemas aparentemente irresolubles del Big Bang y los modelos de inflación. “Nos permite ir más allá del Big Bang, pero sin ningún tipo de problemas filosóficos mágicos”, dice Stephon Alexander, profesor de física en la Universidad de Brown y co-inventor de un modelo de inflación del Universo basado en la teoría de cuerdas. "Porque el tiempo siempre ha existido en el pasado".

 

Los científicos han propuesto un modelo cíclico que podría funcionar matemáticamente  de varias formas. El modelo de Steinhardt y Turok de un Universo cíclico es uno de ellos. Sus principios básicos son estos: El Big Bang no fue el comienzo de los tiempos; hubo una fase previa que la precedió, con múltiples ciclos de contracción y expansión que se repiten indefinidamente; y el período clave que definió la forma de nuestro Universo fue justo antes del llamado estallido. Allí encontraría un período de contracción lenta llamado Big Crunch.

 

Entonces, en lugar de un comienzo del tiempo que surge de la nada, el modelo cíclico  permite un largo período de tiempo en el período previo. Afirma solucionar los mismos problemas que hizo la teoría inflacionaria, pero construye aún más. Por un lado, la existencia de tiempo antes del Big Crunch elimina el problema de la singularidad, ese número indefinido. También utiliza la teoría de cuerdas y las fluctuaciones cuánticas.

 

Al igual que el LCDM, un modelo cíclico también explicaría la energía oscura, una fuerza  no observable que los científicos creen que está detrás de la expansión acelerada del Universo. Pero en el modelo de Stenhardt y Turok, las cosas se parecen un poco más a la ciencia ficción: dos planos idénticos o "branas" (en la teoría de cuerdas, un objeto que puede tener cualquier número de dimensiones) se unen y se separan. Podemos observar las tres dimensiones de nuestro plano, pero no las dimensiones extra del otro. La energía oscura es tanto la fuerza que lleva a las branas a una colisión, como la separación entre ellas. Sigue la expansión de las propias branas, y la energía oscura las vuelve a unir una vez que son tan planas y suaves como pueden llegar a ser.

 

El investigador Giani no está tan seguro, debido a algunas de las suposiciones que este modelo trae de la teoría de cuerdas. Le gusta otro modelo cíclico de Roger Penrose, un físico teórico de Oxford que ideó lo que el propio Penrose llamó "una nueva perspectiva escandalosa" sobre el Universo. "Me quedé completamente asombrado", dijo Giani.

 

Es difícil entenderlo: en un futuro lejano, lejano, nuestro Sistema Solar y nuestra galaxia serán engullidos por agujeros negros, que devorarán toda la otra masa del Universo, y luego, después de una cantidad de tiempo inimaginable, solo agujeros negros existirá. Eventualmente, solo existen fotones, que no tienen masa y, por lo tanto, no tienen energía o frecuencia, de acuerdo con nuestras leyes físicas aceptadas.

 

Las medidas de escala, explica Penrose, ya no se aplican en esta etapa, pero la forma del Universo permanece. En el momento del Big Bang, argumenta, cuando las partículas están tan calientes y tan juntas que también se mueven casi a la velocidad de la luz, también pierden su masa. Esto crea las mismas condiciones en el Big Bang que el Universo frío y distante del futuro. Su escala ya no es relevante y uno puede engendrar al otro. El futuro remoto y el Big Bang se vuelven uno y lo mismo.

 

Refutando los modelos.

En última instancia, lo que los humanos pueden observar de nuestro Universo es limitado. Es por eso que las teorías del Universo nunca están completas. Equilibran la pequeña franja del Universo que podemos observar con modelos matemáticos y teoría para completar el resto. Entonces, en cosmología, los científicos buscan fenómenos observables que refutan sus modelos y remodelan sus teorías nuevamente para adaptarse al problema.

 

Pero a medida que nuestra tecnología avanza rápidamente, las observaciones que  apoyan o restan valor a un modelo u otro llegan con más frecuencia. “Vale la pena hacer toda esta especulación en este trabajo, porque estamos llegando al punto en el que llegarán estos datos”, dice Giani. Una de esas observaciones podría producir un apoyo convincente para un modelo cíclico o confirmar la teoría inflacionaria más aceptada.

 

Debido a cómo se distribuye la materia en nuestra vista de la parte más antigua del Universo (vista en el CMB), las ondas gravitacionales que nos alcanzan pueden estar polarizadas, como la luz, a una frecuencia particular. Pronto, en unos pocos años, de hecho, los científicos podrán determinar si existe esta polarización. Si lo hace, apoyará el modelo inflacionario. Si esta polarización no existe, socavará la "contracción lenta", un sello distintivo del modelo cíclico.

 

Estaremos un paso más cerca de dar sentido al tiempo y al espacio, pero aún en un viaje  dentro del cosmos que está lejos de terminar.

 

Fuente:

https://astronomy.com/news/2021/08/what-would-this-cyclic-model-of-the-universe-mean-for-the-big-bang