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La teoría del gran rebote

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Presentación

Al limitar la cantidad de energía que se puede almacenar en el espacio, la “gravedad cuántica de lazos” sustituye la “singularidad” del Big Bang por un “rebote” formidable, un proceso que parece un comienzo aunque en realidad refleja una “transición” entre un estado anterior y otro nuevo. Una posibilidad: El universo sería eterno. Implosionó, alcanzó la máxima densidad permitida (durante el rebote) y explotó de nuevo

El Gran Rebote (en inglés: Big Bounce) es una teoría o modelo científico relacionado con la formación del Universo conocido. Se deriva del modelo cíclico o Universo oscilante interpretación del Big Bang donde el evento cosmológico primero fue el resultado del colapso de un universo anterior[1]

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Contenido

Es una teoría o modelo científico relacionado con la formación del Universo conocido. Se deriva del modelo cíclico o Universo oscilante interpretación del Big Bang donde el evento cosmológico primero fue el resultado del colapso de un universo anterior.

Según algunos teóricos del Universo oscilante, el Big Bang fue simplemente el comienzo de un período de expansión al que siguió un período de contracción. Desde este punto de vista, se podría hablar de un Big Crunch, seguido de un Big Bang, o, más sencillamente, un Gran Rebote. Esto sugiere que podríamos estar viviendo en el primero de todos los universos, pero es igualmente probable que estemos viviendo en el universo dos mil millones (o cualquiera de una secuencia infinita de universos).

La idea principal detrás de la teoría cuántica de un gran rebote es que, a medida que aumenta y aumenta la densidad, el comportamiento de la espuma cuántica cambia. Todas las llamadas constantes físicas fundamentales, incluida la velocidad de la luz en el vacío, no eran tan constantes durante el Big Crunch, especialmente en el intervalo de estiramiento 10 -43 segundos antes y después del punto de inflexión . (Una unidad de tiempo de Planck es aprox. 10−43 segundos.)

Si las constantes físicas fundamentales se determinaron en una manera quanto-mecánica durante la contracción “Big Crunch”, entonces sus valores aparentemente inexplicable en este universo no serían tan sorprendentes, entendiendo aquí que un universo es el que existe entre un Big Bang y su Big Crunch.

Periódicamente la materia del universo estalla, llega lo lejos que puede en todas direcciones mientras se consume la energía y se enfría, luego vuelve a caer toda hacia el centro, se une, y vuelve a explotar.

Se inició el universo con un "gran rebote"

El cosmos pudo haber surgido en una contracción más temprana y de una “gran implosión” seguida de un “big bang” que comenzó todo de nuevo.

Fluctuaciones cuanticas e inflacion.png

El universo, ¿comenzó con una explosión o un rebote, o con algo completamente distinto? La pregunta sobre los orígenes es de las más espinosas en la física, y hay pocas respuestas y mucha especulación además de fuertes sentimientos. La teoría más popular es la inflación cósmica, la noción de que el cosmos se amplió en las primeras fracciones de segundo después de que nació a partir de una explosión. Pero una idea más débil postula que el nacimiento de este universo no fue realmente el comienzo, pues habría existido una versión anterior del espacio-tiempo y se habría contraído hacia una “gran implosión”, que luego cambió y comenzó a expandirse en lo que vemos en la actualidad. Ahora, un nuevo estudio que sugiere un giro en este escenario de “rebote” tiene entusiasmados a sus partidarios y a los defensores de la inflación cósmica enfurecidos en torno a un “rival” que dicen que han refutado en repetidas ocasiones, solo para que rebote de regreso de nuevo.

La inflación cósmica tiene muchos admiradores porque la rápida expansión que postula parece explicar numerosas características del universo, como el hecho de que parece relativamente plano (en lugar de curvado, a grandes escalas) y bastante uniforme en todas las direcciones (hay aproximadamente la misma cantidad de sustancia por todas partes, de nuevo, a grandes escalas). Ambas condiciones se producen cuando las regiones del espacio que terminaron muy lejos, al principio comenzaron muy juntas y en contacto. Sin embargo, las últimas versiones de la teoría parecen sugerir, incluso requerir, que la inflación cósmica no solo creó nuestro universo, si no también formó un paisaje infinito de universos que incluye cada tipo posible de universo con cada posible conjunto de leyes físicas y de características. A algunos científicos les gusta esto porque podría explicar por qué existe nuestro universo en particular, con sus condiciones aparentemente al azar aunque perfectamente calibradas a la realidad. Si cada tipo de cosmos está por ahí, no es de extrañar que también exista el nuestro. Pero otros físicos rechazan esta idea de la “Teoría del multiverso”, en parte porque si la teoría predice que todas las posibilidades se cumplirán, no predice de forma única un universo como el que tenemos.

Las teorías del “gran rebote” también predicen universos planos y uniformes, gracias a efectos de suavizado en el espacio que pueden ocurrir durante la contracción. Pero durante mucho tiempo, el punto de conflicto de la idea del rebote ha sido la transición entre la contracción y la expansión. Esto parecía requerir la idea, muy rechazada, de una “singularidad” —un tiempo en que el universo era un único punto de densidad infinita—, que es vista por muchos como una proposición matemática sin sentido, que indica que una teoría se ha descarrilado. Ahora los físicos dicen que han encontrado una manera de calcular el rebote sin hallar ninguna singularidad. “Encontramos que podríamos describir exactamente la evolución cuántica del universo”, dice el coautor del estudio, Neil Turok, director del Instituto Perimeter de Física Teórica en Ontario. “Hemos encontrado que el universo pasa suavemente a través de la singularidad y hasta el otro lado. Esa era nuestra esperanza, pero que en realidad nunca lo habíamos logrado antes”. Turok y Steffen Gielen, del Imperial College de Londres, publicaron sus cálculos el mes pasado en la revista Physical Review Letters[2].

El universo cuántico

El hallazgo se produjo gracias a dos técnicas que adoptaron los investigadores. Una fue usar la teoría incipiente y aún incompleta de la cosmología cuántica —una mezcla entre la mecánica cuántica y la relatividad general— en vez de la relatividad general clásica para describir el universo. La segunda fue suponer que cuando el cosmos era joven se comportó como la luz, en la que las leyes de la física que la describen no dependen de la escala. Por ejemplo, la luz actúa igual independientemente de su longitud de onda. La física de la materia, por otra parte, usualmente varía desde pequeñas a grandes escalas. “Sabemos que en los primeros 50.000 años, el universo estaba únicamente lleno de radiación”, dice Anna Ijjas, física de la Universidad de Princeton que no participó en la investigación. “La materia normal que vemos ahora no era realmente muy significativa. En realidad, creo que un universo temprano sin escalas está muy sugerido por nuestras mediciones actuales”.

En esas condiciones, Turok y Gielen encontraron que el universo en contracción no se convertiría en una singularidad; esencialmente abriría un túnel a través del punto preocupante saltando de un estado inmediatamente anterior, a un estado inmediatamente posterior. Aunque tal acción suena como hacer trampa, es un fenómeno probado en la mecánica cuántica. Debido a que las partículas no existen en estados absolutos sino más bien en brumas de la probabilidad hay una pequeña pero real posibilidad de que pueden “abrir un túnel” a través de barreras físicas para llegar a lugares aparentemente fuera del alcance de ellos; el equivalente, en una escala microscópica, a caminar a través de paredes. “La falta de claridad en el espacio, el tiempo y la materia conspira para que sea incierto dónde está el universo en un momento dado”, explica Turok. “Esto permite que el universo pase a través de la singularidad”.

Otros defensores del “gran rebote” dicen que el trabajo es un avance importante. “Al hacer estas dos suposiciones plausibles, encontraron un resultado muy interesante, que es que puede ocurrir un rebote”, dice Paul Steinhardt, físico de Princeton y uno de los fundadores de la teoría de la inflación cósmica, que se ha convertido más recientemente en uno de sus críticos más agudos. “Esto demuestra que, en principio, se puede evitar una singularidad”, dice Steinhardt, que no participó en el estudio de Turok y Gielen. Este experto e Ijjas han trabajado en otra forma de demostrar matemáticamente la posibilidad de un rebote, introduciendo en el universo un tipo especial de campo que provoca que la contracción se convierta en expansión, mucho antes de que el espacio sea lo suficientemente pequeño como para transformarse en una singularidad. Su solución utiliza la relatividad general clásica en oposición a la cosmología cuántica. “Esto significa que también son posibles los rebotes clásicos y no singulares”, dice Steinhardt. El grupo informó sobre su trabajo en un artículo publicado el 28 de junio en el servidor de pre-impresión arXiv.org.[3]

Ambos estudios todavía son preliminares. Turok y Gielen fueron capaces de calcular el rebote solo para el caso de un universo idealizado que es completamente liso y carece de las pequeñas fluctuaciones de densidad que conducen a la formación de estrellas y galaxias en el cosmos real. “Los casos que en realidad podemos resolver exactamente son los universos muy simples”, dice Gielen. “La pregunta que siempre se tiene es ‘¿eso estará allí todavía si vas a algo más complicado?’ En eso estamos trabajando en este momento”.

Si el universo rebotó una vez, y una pregunta natural es si lo hará de nuevo. Pero no todas las teorías de rebote sugieren que estamos destinados al ciclo infinito de contracciones y expansiones. Por ejemplo, incluso si nuestro universo rebotó antes, no tenemos ninguna indicación hasta el momento de que se dirige a una nueva contracción. La energía oscura que se cree que forma la mayor porción del presupuesto total de masa-energía del cosmos parece estar separando a nuestro universo a un ritmo cada vez más acelerado. Lo que realmente se espera para el futuro es una pregunta muy abierta, de hecho, tan abierta como la cuestión de cómo empezó todo.

MALA SANGRE

Muchos defensores de la inflación cósmica son muy escépticos de cualquier modelo de rebote, en especial porque dicen que los partidarios habían afirmado repetidamente en el pasado ser capaces de calcular rebotes sin singularidades, pero siempre terminaron siendo refutados. “No estoy contento con que no admitan que todos sus artículos anteriores deberían ser descartados”, dice Renata Kallosh, física de la Universidad de Stanford, que calculó errores en modelos de rebote previamente propuestos.

“Ahora hacen una nueva afirmación, y no creo en ella”. Alan Guth, pionero en la inflación cósmica del Instituto de Tecnología de Massachusetts, está de acuerdo. “Aún soy escéptico sobre si realmente han logrado una solución no singular”, dice. “Me gustaría esperar y ver cómo se desarrolla. Si han tenido éxito en lo que dicen que han hecho, estoy de acuerdo en que es muy importante, incluso si no es el mejor modelo para la historia del universo”.

Sin embargo, algunos investigadores de la inflación cósmica son más tolerantes. “Creo que esta es una línea de la investigación muy interesante”, dice Marc Kamionkowski, de la Universidad Johns Hopkins. “Los escenarios de rebote, aunque todavía no se ha desarrollado hasta el nivel en que la inflación se ha desarrollado, son prometedores, y es imprescindible tratar de desarrollarlos aún más. Este artículo ofrece un resultado matemático interesante, en un modelo de juguete”, añade, en referencia al universo idealizado con el que trabajaron los investigadores.

Kallosh y otros objetan el uso de la cosmología cuántica para describir un rebote, porque el universo no puede haber sido microscópicamente pequeño en una fase como esa. “Tienen el colapso de un gran universo. ¿Por qué un gran universo debería ser diferente a lo que dice la relatividad general?” Turok se opone a que cualquier teoría del universo tenga que incorporar la mecánica cuántica en la relatividad general, porque la teoría clásica por sí misma se sabe que falla en ciertos puntos. “La naturaleza es cuántica”, dice. “Sabemos que las teorías clásicas no tienen ningún sentido en un nivel muy básico”.

Turok y otros críticos de la inflación cósmica tienen sus propios problemas con la teoría dominante. Ellos alegan que la inflación cósmica requiere circunstancias improbables para iniciarse (una afirmación con la que no están de acuerdo los defensores de la teoría) y que no resuelve el espectro de una singularidad en el momento mismo del big bang. Por otra parte, “la inflación conduce a este escenario de pesadilla de un multiverso”, dice Turok, “que por alguna extraña razón es sorprendentemente popular”.

El experto sugiere que el debate acalorado en el campo y el fuerte escrutinio que recibieron las nuevas ideas ayudará a que los científicos finalmente lleguen a una mejor teoría sobre nuestros orígenes. “Las personas tienen opiniones muy fuertes”, dice Turok. “Admito libremente que las tengo y admito libremente que mis opiniones no son compartidas por 95 por ciento de los cosmólogos. En realidad soy crítico de todas estas teorías, incluyendo las que yo inventé. Pero hoy tenemos observaciones espectaculares que nos señala la simplicidad increíble en el universo. Para mí, eso significa que todas nuestras teorías existentes son demasiado complicadas. Las observaciones apuntan a la simplicidad y es nuestro trabajo llegar a una teoría sencilla que ojalá las explique”.[4]

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