Gran rebote
Modelo sobre el origen del universo
Parte de una serie sobre
Cosmología física
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Universo primitivo
Antecedentes
Expansión  · Futuro
Componentes  · Estructura
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Estructura
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Historial del tema

La hipótesis del Big Bounce es un modelo cosmológico para el origen del universo conocido . Originalmente se sugirió como una fase del modelo cíclico o interpretación del universo oscilatorio del Big Bang , donde el primer evento cosmológico fue el resultado del colapso de un universo anterior. [1] [2] [3] [4] Se dejó de considerar seriamente a principios de la década de 1980 después de que la teoría de la inflación surgiera como una solución al problema del horizonte , que había surgido a partir de los avances en las observaciones que revelaban la estructura a gran escala del universo.

Se descubrió que la inflación era inevitablemente eterna , lo que creaba una infinidad de universos diferentes con propiedades típicamente diferentes, lo que sugiere que las propiedades del universo observable son una cuestión de azar. [5] Se concibió un concepto alternativo que incluía un Gran Rebote como una posible solución predictiva y falsable al problema del horizonte. [6] La investigación continuó en 2022. [7] [8] [9] [10]

Expansión y contracción

El concepto de Big Bounce considera al Big Bang como el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción. [11] Desde esta perspectiva, se podría hablar de un " Big Crunch " seguido de un "Big Bang" o, más simplemente, de un "Big Bounce". Este concepto sugiere que podríamos existir en cualquier punto de una secuencia infinita de universos, o, a la inversa, el universo actual podría ser la primera iteración. Sin embargo, si la condición de la fase de intervalo "entre rebotes" -considerada la "hipótesis del átomo primigenio"- se toma en plena contingencia, tal enumeración puede carecer de sentido porque esa condición podría representar una singularidad en el tiempo en cada instancia si tales repeticiones perpetuas (ciclos) fueran absolutas e indiferenciadas.

La idea principal detrás de la teoría cuántica de un Big Bounce es que, a medida que la densidad se acerca al infinito, el comportamiento de la espuma cuántica cambia. Todas las llamadas constantes físicas fundamentales , incluida la velocidad de la luz en el vacío, no necesitan permanecer constantes durante un Big Crunch, especialmente en el intervalo de tiempo más pequeño que aquel en el que la medición nunca puede ser posible (una unidad de tiempo de Planck , aproximadamente 10 −43 segundos) que abarca o enmarca el punto de inflexión.

Historia

Los modelos de gran rebote fueron respaldados principalmente por razones estéticas por cosmólogos como Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie y George Gamow (quien destacó que "desde el punto de vista físico debemos olvidarnos por completo del período anterior al colapso"). [12]

A principios de la década de 1980, la precisión y el alcance cada vez mayores de la cosmología observacional habían revelado que la estructura a gran escala del universo es plana , homogénea e isótropa , un hallazgo que más tarde se aceptó como el principio cosmológico que se aplica a escalas superiores a aproximadamente 300 millones de años luz . Esto llevó a los cosmólogos a buscar una explicación al problema del horizonte , que cuestionaba cómo las regiones distantes del universo podían tener propiedades idénticas sin estar nunca en comunicación similar a la de la luz. Se propuso una solución que era un período de expansión exponencial del espacio en el universo primitivo, que formó la base de lo que se conoció como teoría de la inflación . Después del breve período inflacionario, el universo continúa expandiéndose a un ritmo más lento.

Diversas formulaciones de la teoría de la inflación y sus implicaciones detalladas se convirtieron en objeto de intenso estudio teórico. Sin una alternativa convincente, la inflación se convirtió en la solución principal al problema del horizonte.

La frase «Big Bounce» apareció en la literatura científica en 1987, cuando se utilizó por primera vez en el título de un par de artículos (en alemán) en Stern und Weltraum de Wolfgang Priester y Hans-Joachim Blome. [13] Reapareció en 1988 en Big Bang, Big Bounce de Iosif Rozental , una traducción revisada al inglés de un libro en ruso (con un título diferente), y en un artículo en inglés de 1991 de Priester y Blome en Astronomy and Astrophysics . La frase se originó como el título de una novela de Elmore Leonard en 1969, poco después de que aumentara la conciencia pública del modelo del Big Bang con el descubrimiento del fondo cósmico de microondas por Penzias y Wilson en 1965.

La idea de la existencia de un gran rebote en el universo primitivo ha encontrado apoyo diverso en trabajos basados ​​en la gravedad cuántica de bucles . En la cosmología cuántica de bucles , una rama de la gravedad cuántica de bucles, el gran rebote fue descubierto por primera vez en febrero de 2006 para modelos isotrópicos y homogéneos por Abhay Ashtekar , Tomasz Pawlowski y Parampreet Singh en la Universidad Estatal de Pensilvania . [14] Este resultado ha sido generalizado a varios otros modelos por diferentes grupos, e incluye el caso de la curvatura espacial, la constante cosmológica, las anisotropías y las inhomogeneidades cuantificadas de Fock. [15]

Martin Bojowald , profesor adjunto de física en la Universidad Estatal de Pensilvania, publicó en julio de 2007 un estudio que detallaba el trabajo relacionado con la gravedad cuántica de bucles que afirmaba resolver matemáticamente el tiempo anterior al Big Bang, lo que daría nuevo peso a las teorías del universo oscilatorio y del Big Bounce. [16]

Uno de los principales problemas de la teoría del Big Bang es que existe una singularidad de volumen cero y energía infinita en el momento del Big Bang. Esto se interpreta normalmente como un colapso de la física tal como la conocemos; en este caso, de la teoría de la relatividad general . Por eso se espera que los efectos cuánticos adquieran importancia y eviten una singularidad.

Sin embargo, las investigaciones en cosmología cuántica de bucles pretendían demostrar que un universo previamente existente no colapsa hasta convertirse en una singularidad, sino hasta un punto en el que los efectos cuánticos de la gravedad se vuelven tan fuertemente repulsivos que el universo rebota hacia afuera, formando una nueva rama. A lo largo de este colapso y rebote, la evolución es unitaria.

Bojowald también afirmó que algunas propiedades del universo que colapsó para formar el nuestro pueden determinarse; sin embargo, otras propiedades no son determinables debido a un principio de incertidumbre . Este resultado ha sido cuestionado por diferentes grupos, que muestran que debido a las restricciones sobre las fluctuaciones derivadas del principio de incertidumbre, existen fuertes restricciones sobre el cambio en las fluctuaciones relativas a lo largo del rebote. [17] [18]

Aunque la existencia del Gran Rebote aún debe demostrarse a partir de la gravedad cuántica de bucles, la robustez de sus características principales se ha confirmado utilizando resultados exactos [19] y varios estudios que involucran simulaciones numéricas utilizando computación de alto rendimiento en cosmología cuántica de bucles.

En 2006, se propuso que la aplicación de técnicas de gravedad cuántica de bucles a la cosmología del Big Bang puede conducir a un rebote que no necesita ser cíclico. [20]

En 2010, Roger Penrose propuso una teoría basada en la relatividad general que denominó « cosmología cíclica conforme ». La teoría explica que el universo se expandirá hasta que toda la materia se desintegra y finalmente se convierte en luz. Como nada en el universo tendría ninguna escala de tiempo o distancia asociada, el universo se vuelve idéntico al Big Bang, lo que da como resultado un tipo de Big Crunch que se convierte en el siguiente Big Bang, perpetuando así el siguiente ciclo. [21]

En 2011, Nikodem Popławski demostró que un Big Bounce no singular aparece de forma natural en la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan -Sciama-Kibble. [22] Esta teoría extiende la relatividad general eliminando una restricción de la simetría de la conexión afín y considerando su parte antisimétrica, el tensor de torsión , como una variable dinámica. El acoplamiento mínimo entre la torsión y los espinores de Dirac genera una interacción espín-espín que es significativa en la materia fermiónica a densidades extremadamente altas. Tal interacción evita la singularidad no física del Big Bang, reemplazándola por un rebote tipo cúspide en un factor de escala mínimo finito, antes del cual el universo se estaba contrayendo. Este escenario también explica por qué el Universo actual en las escalas más grandes parece espacialmente plano, homogéneo e isótropo, proporcionando una alternativa física a la inflación cósmica.

En 2012, se construyó una nueva teoría de un Big Bounce no singular dentro del marco de la gravedad estándar de Einstein. [23] Esta teoría combina los beneficios del rebote de la materia y la cosmología ecpirótica . En particular, en la solución cosmológica de fondo homogéneo e isótropo, la inestabilidad BKL es inestable al crecimiento de la tensión anisotrópica, que se resuelve en esta teoría. Además, las perturbaciones de curvatura sembradas en la contracción de la materia pueden formar un espectro de potencia primordial casi invariante de escala y, por lo tanto, proporcionar un mecanismo consistente para explicar las observaciones del fondo cósmico de microondas (CMB).

Algunas fuentes sostienen que los agujeros negros supermasivos distantes cuyo gran tamaño es difícil de explicar tan pronto después del Big Bang, como ULAS J1342+0928 , [24] pueden ser evidencia de un Big Bounce, y que estos agujeros negros supermasivos se formaron antes del Big Bounce. [25] [26]

Críticos

Según un estudio publicado en Physical Review Letters en mayo de 2023, el Gran Rebote debería haber dejado marcas en la luz primordial, conocida como fondo cósmico de microondas (CMB), pero al comparar las observaciones realizadas por el satélite Planck con el CMB simulado en el caso de que el Universo rebotara sobre sí mismo solo una vez, no se encontró esa firma de rebote en particular. [27]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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  • Bojowald, Martin (2008). "Sigue el universo que rebota". Scientific American . 299 (octubre de 2008): 44–51. Bibcode :2008SciAm.299d..44B. doi :10.1038/scientificamerican1008-44 (inactivo 2024-04-26). PMID  18847084.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of April 2024 (link)
  • Magueijo, João (2003). Más rápido que la velocidad de la luz: la historia de una especulación científica. Cambridge, Massachusetts: Perseus Publishing. ISBN 978-0-7382-0525-0.
  • Taiebyzadeh, Payam (2017). Teoría de cuerdas: una teoría unificada y dimensión interna de partículas elementales (BazDahm). Riverside, Irán: Shamloo Publications Center. ISBN 978-600-116-684-6 . 
  • Overduin, James; Blome, Hans-Joachim; Hoell, Josef (2007). "Wolfgang Priester: del gran rebote al universo dominado por λ". Naturwissenschaften . 94 (6): 417–429. arXiv : astro-ph/0608644 . Código Bib : 2007NW..... 94.. 417O. doi :10.1007/s00114-006-0187-x. PMID  17146687. S2CID  9204407.
  • Pitts, Trevor (1998). "Materia oscura, antimateria y simetría temporal". arXiv : physics/9812021v2 .
  • Investigadores de Penn State miran más allá del nacimiento del universo (Penn State) 12 de mayo de 2006
  • ¿Qué sucedió antes del Big Bang? (Penn State) 1 de julio de 2007
  • Del Big Bang al Big Bounce (Penn State) NewScientist 13 de diciembre de 2008
  • Nurgaliev, IS (2010). "Las singularidades se evitan mediante vórtices". Gravitación y cosmología . 16 (4): 313–315. Bibcode :2010GrCo...16..313N. doi :10.1134/S0202289310040092. ISSN  0202-2893. S2CID  119982190.
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