Gran rebote - Big Bounce

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Cosmología física
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Historia de la asignatura

El Big Bounce es un modelo cosmológico hipotético del 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. Se retiró de una consideración seria a principios de la década de 1980 después de que surgiera la teoría de la inflación como una solución al problema del horizonte , que había surgido de los avances en las observaciones que revelaban la estructura a gran escala del universo. A principios de la década de 2000, algunos teóricos encontraron que la inflación era problemática e infalsificable, ya que sus diversos parámetros podían ajustarse para adaptarse a cualquier observación, de modo que las propiedades del universo observable son una cuestión de azar. Las imágenes alternativas que incluyen un Big Bounce pueden proporcionar una posible solución predictiva y falsable al problema del horizonte , y se encuentran bajo investigación activa a partir de 2017.

Expansión y contracción

El concepto del Big Bounce visualiza el Big Bang como el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción. Desde este punto de vista, se podría hablar de un Big Crunch seguido de un Big Bang , o más simplemente, un Big Bounce . Esto sugiere que podríamos estar viviendo en cualquier punto de una secuencia infinita de universos o, por el contrario, 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 primitivo", se toma en total contingencia, tal enumeración puede no tener sentido porque esa condición podría representar una singularidad en el tiempo en cada instancia, si tal el retorno fue absoluto e indiferenciado.

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 aquél en el que la medición nunca será posible (una unidad de tiempo de Planck , aproximadamente 10 −43 segundos) abarcando o entre corchetes el punto de inflexión.

Historia

Los modelos de gran rebote fueron respaldados en gran medida por motivos estéticos por cosmólogos como Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie y George Gamow (quienes enfatizaron que "desde el punto de vista físico debemos olvidarnos por completo del período anterior al colapso").

A principios de la década de 1980, el avance de la precisión y el alcance de la cosmología observacional había revelado que la estructura a gran escala del universo es plana , homogénea e isotrópica , un hallazgo aceptado más tarde como el Principio Cosmológico para su aplicación a escalas superiores a los 300 millones de años luz. . Se reconoció que era necesario encontrar una explicación de cómo las regiones distantes del universo podrían tener propiedades esencialmente idénticas sin haber estado nunca en comunicación similar a la luz. Se propuso una solución para ser un período de expansión exponencial del espacio en el universo temprano, como base para lo que se conoció como teoría de la inflación . Tras el breve período inflacionario, el universo continúa expandiéndose, pero a un ritmo menos rápido.

Varias formulaciones de la teoría de la inflación y sus implicaciones detalladas se convirtieron en objeto de un intenso estudio teórico. En ausencia de una alternativa convincente, la inflación se convirtió en la principal solución al problema del horizonte. A principios de la década de 2000, algunos teóricos consideraron que la inflación era problemática e infalsificable, ya que sus diversos parámetros podían ajustarse para adaptarse a cualquier observación, una situación conocida como problema de ajuste fino. Además, se descubrió que la inflación es inevitablemente eterna , creando una infinidad de universos diferentes con propiedades típicamente diferentes, de modo que las propiedades del universo observable son una cuestión de azar. Un concepto alternativo que incluye un Big Bounce se concibió como una posible solución predictiva y falsable al problema del horizonte, y está bajo investigación activa a partir de 2017.

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. Reapareció en 1988 en Big Bang, Big Bounce de Iosif Rozental , una traducción revisada en inglés de un libro en ruso (con un título diferente), y en un artículo de 1991 (en inglés) de Priester y Blome en Astronomy and Astrophysics . (La frase aparentemente 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 temprano ha encontrado un 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 . Este resultado ha sido generalizado a varios otros modelos por diferentes grupos, e incluye el caso de curvatura espacial, constante cosmológica, anisotropías y heterogeneidades cuantificadas de Fock.

Martin Bojowald , profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Pensilvania , publicó un estudio en julio de 2007 que detalla un trabajo relacionado de alguna manera con la gravedad cuántica de bucles que afirmaba resolver matemáticamente el tiempo anterior al Big Bang, lo que le daría un nuevo peso al universo oscilatorio y al Big Bang. Teorías de rebote.

Uno de los principales problemas de la teoría del Big Bang es que, en el momento del Big Bang, existe una singularidad de volumen cero y energía infinita. Esto normalmente se interpreta como el fin de la física tal como la conocemos; en este caso, de la teoría de la relatividad general . Es por eso que uno espera que los efectos cuánticos se vuelvan importantes y eviten la singularidad.

Sin embargo, la investigación en cosmología cuántica de bucles pretendía mostrar que un universo previamente existente colapsó, no hasta el punto de la singularidad, sino hasta un punto anterior a aquél en el que los efectos cuánticos de la gravedad se vuelven tan fuertemente repulsivos que el universo rebota y forma un nuevo rama. A lo largo de este colapso y rebote, la evolución es unitaria.

Bojowald también afirma que algunas propiedades del universo que colapsaron para formar el nuestro también pueden determinarse. Sin embargo, algunas propiedades del universo anterior no se pueden determinar debido a algún tipo de 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.

Si bien aún no se ha demostrado la existencia de un gran rebote a partir de la gravedad cuántica de bucles , la robustez de sus características principales se ha confirmado utilizando resultados exactos y varios estudios que involucran simulaciones numéricas utilizando computación de alto rendimiento en cosmología cuántica de bucles .

En 2003, Peter Lynds presentó un nuevo modelo cosmológico en el que el tiempo es cíclico. En su teoría, nuestro Universo eventualmente dejará de expandirse y luego se contraerá. Antes de convertirse en una singularidad, como cabría esperar de la teoría del agujero negro de Hawking, el universo rebotaría. Lynds afirma que una singularidad violaría la segunda ley de la termodinámica y esto evita que el universo esté limitado por singularidades. El Big Crunch se evitaría con un nuevo Big Bang. Lynds sugiere que la historia exacta del universo se repetiría en cada ciclo en un eterno retorno . Algunos críticos argumentan que si bien el universo puede ser cíclico, todas las historias serían variantes. La teoría de Lynds ha sido rechazada por los físicos convencionales por la falta de un modelo matemático detrás de sus consideraciones filosóficas.

En 2006, se propuso que la aplicación de técnicas de gravedad cuántica de bucle a la cosmología del Big Bang puede conducir a un rebote que no tiene por qué ser cíclico.

En 2010, Roger Penrose avanzó una teoría basada en la relatividad general que él llama la " cosmología cíclica conforme ". La teoría explica que el universo se expandirá hasta que toda la materia se desintegra y finalmente se convierta en luz. Dado que nada en el universo tendría tiempo o escala de distancia asociada con él, se vuelve idéntico al Big Bang, lo que a su vez resulta en un tipo de Big Crunch que se convierte en el próximo Big Bang, perpetuando así el siguiente ciclo.

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. Esta teoría extiende la relatividad general al eliminar una restricción de la simetría de la conexión afín y considerar 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 materia fermiónica a densidades extremadamente altas. Tal interacción evita la singularidad no física del Big Bang, reemplazándola con un rebote en forma de 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 isotrópico, proporcionando una alternativa física a la inflación cósmica.

En 2012, se construyó con éxito una nueva teoría del gran rebote no singular dentro del marco de la gravedad estándar de Einstein. Esta teoría combina los beneficios del rebote de materia y la cosmología ekpirótica . En particular, la famosa inestabilidad de BKL, que la solución cosmológica de fondo homogénea e isotrópica es inestable al crecimiento de la tensión anisotrópica, 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 en escala y, por lo tanto, proporciona un mecanismo consistente para explicar las observaciones del fondo cósmico de microondas (CMB).

Algunas fuentes argumentan que los agujeros negros supermasivos distantes cuyo gran tamaño es difícil de explicar tan pronto después del Big Bang, como ULAS J1342 + 0928 , pueden ser evidencia de un Big Bounce, ya que estos agujeros negros supermasivos se forman antes del Big Bounce.

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

enlaces externos