Sin Un Big Bang, El Universo Se Habría Arruinado Y Se habría Colaosado Inmediatamente
Sonda espacial de Planck Imagen detallada de las preguntas del universo Big Bang
Por Jean -Luc Lehners para NewsWeek Junio 19 de 2017
Es notoriamente difícil reconciliar los dos marcos más básicos de las leyes fundamentales de la naturaleza, a saber, la relatividad general y la teoría cuántica. La primera describe la gravedad y cómo influye en el espacio y el tiempo -podría decirse que se relaciona con lo grande- mientras que la segunda caracteriza el comportamiento de todas las partículas elementales conocidas -relacionadas con lo pequeño.
El hecho de que tengan que ser reunidos no es en absoluto más aparente que en tratar de comprender el comienzo de nuestro universo: es decir, el comienzo mismo del espacio, el tiempo y, bueno, todo lo demás.
Tal principio fue llamado burdamente "big bang" por el cosmólogo Fred Hoyle, quien ridiculizó la idea de que no había existido un universo, luego un gran golpe y de repente el universo, lleno de luz y materia, y expandiéndose como si estuviera en el espacio Esteroides. El nombre se ha pegado, y por ahora parece que estamos pegados con la idea también.
¿Por qué es tan difícil unificar la gravedad y la teoría cuántica? Para ilustrar esto, ayuda a recordar la extrañeza del mundo cuántico. De acuerdo con la teoría cuántica, la naturaleza explora todas las posibilidades para determinar la probabilidad con la que ocurre un evento. Así que cuando se lanza una pelota, se consideran absolutamente todas las trayectorias concebibles, pero sólo unos pocos pesan significativamente. (En el caso de la bola, de hecho, sólo la trayectoria clásica familiar es relevante.)
Cuando se aplica al espacio-tiempo, sin embargo, se vuelve complicado. Todas las posibles evoluciones espacio-tiempo deben ser consideradas, pero el problema es que en pequeñas escalas, la estructura del espacio-tiempo tiende a ser muy desordenado en la medida en que es típicamente imposible calcular de manera fiable nada. Y para entender el big bang, ciertamente necesitaríamos saber qué pasa con el espacio-tiempo en pequeñas escalas.
Universo suave. La idea de un comienzo suave. En el cuadro estándar del big-bang, la forma del espacio-tiempo se vuelve aguda y puntiaguda como se remonta en el tiempo, con curvatura cada vez mayor a medida que uno se acerca al principio. Por el contrario, la idea de un comienzo suave supone que la forma del espacio-tiempo se redondea como la superficie de una bola, como se muestra en la parte inferior de esta imagen. Crédito de la imagen: Jean -Luc Lehners/Max-Planck-Institute For Gravitational Physics
Frente a esas dificultades, tres cosmólogos tuvieron una idea verdaderamente ingeniosa y elegante. Ellos eran James Hartle y Stephen Hawking, con su propuesta "sin fronteras", y Alexander Vilenkin, con su modelo de "tunelización", ambas teorías formuladas a principios de los años ochenta.
La idea es que no se deben considerar todas las posibles evoluciones espacio-tiempo, sino sólo aquellas que tienen una geometría inicial espaciosa y lisa. Se puede imaginar esto imaginando que el universo primitivo habría sido redondeado como la superficie de una pelota, no sólo en el espacio, sino también en el tiempo. El tiempo no tendría ninguna ventaja, de ahí el nombre de la propuesta.
Esta idea tiene dos consecuencias muy deseables. La primera es que en realidad podría permitir calcular las cosas, ya que las geometrías se ven forzadas a ser lisas inicialmente, y por lo tanto no tendrían que lidiar con el desorden a pequeña escala. La segunda es que al proporcionar una teoría de lo que efectivamente reemplaza al big bang, conoceríamos el punto de partida del universo. Esto sería como tener los primeros versos del libro científico del Génesis.
Sin embargo, hasta hace poco, seguía siendo difícil calcular las verdaderas consecuencias de esta idea. A pesar de la simplificación de tener que tratar sólo con estas geometrías "sin fronteras", no es fácil calcular cómo se resumen todas las diferentes evoluciones espacio-temporales o cómo determinar cuáles son las más importantes. Algunos aspectos de los cálculos que se habían hecho desde la década de 1980 eran rigurosos; Otros aspectos se basaban en conjeturas, o, para hacerla sonar menos dudosa, sobre la "intuición".
Debe decirse que esto a menudo funciona. Físicos famosos tienden a tener una habilidad para saber / adivinar las respuestas correctas, incluso en ausencia de un cálculo completo. Además, esos resultados tentativos parecían muy prometedores.
Hace unos meses, mis colaboradores Job Feldbrugge y Neil Turok, ambos del Perimeter Institute de Canadá, me di cuenta de que existe un marco matemático que ha sido continuamente desarrollado por los matemáticos en los últimos 100 años y que se adapta perfectamente a la interpretación Este tipo de cálculos confiables.
Universo arrugado. Lo que encontramos es que un universo que comienza suave no permanece así por mucho tiempo. Rápidamente desarrolla fuertes irregularidades en la forma de espacio-tiempo, como se ilustra arriba. De hecho, cuanto más arrugada es la forma, más probable es que sea, con la consecuencia de que el modelo de un comienzo suave se vuelve insostenible. El big bang debe haber sido significativamente más complicado de lo que la teoría de un comienzo suave había sugerido. Crédito de la imagen: Jean -Luc Lehners/Max-Planck-Institute For Gravitational Physics
Este marco se llama la teoría de Picard-Lefschetz, el nombre de los dos matemáticos que inició el estudio de estas técnicas. Sólo en los últimos años los físicos han tomado conciencia de su existencia.
Usando estos métodos, encontramos una sorpresa. Incluso al restringir a las formas del espacio-tiempo que son completamente lisas inicialmente, los universos resultantes tienen fluctuaciones más grandes y más grandes. En otras palabras, las geometrías que desarrollan fuertes irregularidades contribuyen más a la respuesta final. Esto implica que uno obtendría un universo muy arrugado surgiendo de la nada y presumiblemente volviendo a colapsar de inmediato, en lugar de expandirse al vasto universo que conocemos. Es como si alisar el universo en un extremo sólo resulta en atarlo en nudos por todas partes.
Así que la idea de un comienzo suave no funciona, al menos no en su forma actual. ¿Se puede rescatar la idea? Tal vez, pero nuestro cálculo ha sido en cierto sentido muy mínimo: Además de poderosas técnicas matemáticas, hemos implementado sólo los principios más básicos y establecidos de la física. Rescatar la idea exigiría una desviación bastante radical de uno de esos principios, por lo que tal vez sea más razonable pensar que la geometría simplemente no era del tipo "sin fronteras".
El aspecto más sorprendente de nuestro trabajo es la fuerte interacción entre lo grande y lo pequeño. Las fluctuaciones más pequeñas de alguna manera saben acerca de la geometría general del espacio-tiempo, y saben que deben crecer fuera de los límites.
Es este aspecto el que ahora estamos tratando de entender. Después de todo, nuestro gran universo existe, así que ¿qué mecanismo podría haber mantenido estas fluctuaciones bajo control cuando el universo era pequeño? ¿Cuáles eran las condiciones verdaderas en el big bang, del cual todo lo que conocemos seguía? El misterio permanece intacto, y nuestra búsqueda continúa.
Jean -Luc Lehners es líder del grupo de cosmología teórica del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) en Alemania.
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Sonda espacial de Planck Imagen detallada de las preguntas del universo Big Bang
Por Jean -Luc Lehners para NewsWeek Junio 19 de 2017
Es notoriamente difícil reconciliar los dos marcos más básicos de las leyes fundamentales de la naturaleza, a saber, la relatividad general y la teoría cuántica. La primera describe la gravedad y cómo influye en el espacio y el tiempo -podría decirse que se relaciona con lo grande- mientras que la segunda caracteriza el comportamiento de todas las partículas elementales conocidas -relacionadas con lo pequeño.
El hecho de que tengan que ser reunidos no es en absoluto más aparente que en tratar de comprender el comienzo de nuestro universo: es decir, el comienzo mismo del espacio, el tiempo y, bueno, todo lo demás.
Tal principio fue llamado burdamente "big bang" por el cosmólogo Fred Hoyle, quien ridiculizó la idea de que no había existido un universo, luego un gran golpe y de repente el universo, lleno de luz y materia, y expandiéndose como si estuviera en el espacio Esteroides. El nombre se ha pegado, y por ahora parece que estamos pegados con la idea también.
¿Por qué es tan difícil unificar la gravedad y la teoría cuántica? Para ilustrar esto, ayuda a recordar la extrañeza del mundo cuántico. De acuerdo con la teoría cuántica, la naturaleza explora todas las posibilidades para determinar la probabilidad con la que ocurre un evento. Así que cuando se lanza una pelota, se consideran absolutamente todas las trayectorias concebibles, pero sólo unos pocos pesan significativamente. (En el caso de la bola, de hecho, sólo la trayectoria clásica familiar es relevante.)
Cuando se aplica al espacio-tiempo, sin embargo, se vuelve complicado. Todas las posibles evoluciones espacio-tiempo deben ser consideradas, pero el problema es que en pequeñas escalas, la estructura del espacio-tiempo tiende a ser muy desordenado en la medida en que es típicamente imposible calcular de manera fiable nada. Y para entender el big bang, ciertamente necesitaríamos saber qué pasa con el espacio-tiempo en pequeñas escalas.
Universo suave. La idea de un comienzo suave. En el cuadro estándar del big-bang, la forma del espacio-tiempo se vuelve aguda y puntiaguda como se remonta en el tiempo, con curvatura cada vez mayor a medida que uno se acerca al principio. Por el contrario, la idea de un comienzo suave supone que la forma del espacio-tiempo se redondea como la superficie de una bola, como se muestra en la parte inferior de esta imagen. Crédito de la imagen: Jean -Luc Lehners/Max-Planck-Institute For Gravitational Physics
Frente a esas dificultades, tres cosmólogos tuvieron una idea verdaderamente ingeniosa y elegante. Ellos eran James Hartle y Stephen Hawking, con su propuesta "sin fronteras", y Alexander Vilenkin, con su modelo de "tunelización", ambas teorías formuladas a principios de los años ochenta.
La idea es que no se deben considerar todas las posibles evoluciones espacio-tiempo, sino sólo aquellas que tienen una geometría inicial espaciosa y lisa. Se puede imaginar esto imaginando que el universo primitivo habría sido redondeado como la superficie de una pelota, no sólo en el espacio, sino también en el tiempo. El tiempo no tendría ninguna ventaja, de ahí el nombre de la propuesta.
Esta idea tiene dos consecuencias muy deseables. La primera es que en realidad podría permitir calcular las cosas, ya que las geometrías se ven forzadas a ser lisas inicialmente, y por lo tanto no tendrían que lidiar con el desorden a pequeña escala. La segunda es que al proporcionar una teoría de lo que efectivamente reemplaza al big bang, conoceríamos el punto de partida del universo. Esto sería como tener los primeros versos del libro científico del Génesis.
Sin embargo, hasta hace poco, seguía siendo difícil calcular las verdaderas consecuencias de esta idea. A pesar de la simplificación de tener que tratar sólo con estas geometrías "sin fronteras", no es fácil calcular cómo se resumen todas las diferentes evoluciones espacio-temporales o cómo determinar cuáles son las más importantes. Algunos aspectos de los cálculos que se habían hecho desde la década de 1980 eran rigurosos; Otros aspectos se basaban en conjeturas, o, para hacerla sonar menos dudosa, sobre la "intuición".
Debe decirse que esto a menudo funciona. Físicos famosos tienden a tener una habilidad para saber / adivinar las respuestas correctas, incluso en ausencia de un cálculo completo. Además, esos resultados tentativos parecían muy prometedores.
Hace unos meses, mis colaboradores Job Feldbrugge y Neil Turok, ambos del Perimeter Institute de Canadá, me di cuenta de que existe un marco matemático que ha sido continuamente desarrollado por los matemáticos en los últimos 100 años y que se adapta perfectamente a la interpretación Este tipo de cálculos confiables.
Universo arrugado. Lo que encontramos es que un universo que comienza suave no permanece así por mucho tiempo. Rápidamente desarrolla fuertes irregularidades en la forma de espacio-tiempo, como se ilustra arriba. De hecho, cuanto más arrugada es la forma, más probable es que sea, con la consecuencia de que el modelo de un comienzo suave se vuelve insostenible. El big bang debe haber sido significativamente más complicado de lo que la teoría de un comienzo suave había sugerido. Crédito de la imagen: Jean -Luc Lehners/Max-Planck-Institute For Gravitational Physics
Este marco se llama la teoría de Picard-Lefschetz, el nombre de los dos matemáticos que inició el estudio de estas técnicas. Sólo en los últimos años los físicos han tomado conciencia de su existencia.
Usando estos métodos, encontramos una sorpresa. Incluso al restringir a las formas del espacio-tiempo que son completamente lisas inicialmente, los universos resultantes tienen fluctuaciones más grandes y más grandes. En otras palabras, las geometrías que desarrollan fuertes irregularidades contribuyen más a la respuesta final. Esto implica que uno obtendría un universo muy arrugado surgiendo de la nada y presumiblemente volviendo a colapsar de inmediato, en lugar de expandirse al vasto universo que conocemos. Es como si alisar el universo en un extremo sólo resulta en atarlo en nudos por todas partes.
Así que la idea de un comienzo suave no funciona, al menos no en su forma actual. ¿Se puede rescatar la idea? Tal vez, pero nuestro cálculo ha sido en cierto sentido muy mínimo: Además de poderosas técnicas matemáticas, hemos implementado sólo los principios más básicos y establecidos de la física. Rescatar la idea exigiría una desviación bastante radical de uno de esos principios, por lo que tal vez sea más razonable pensar que la geometría simplemente no era del tipo "sin fronteras".
El aspecto más sorprendente de nuestro trabajo es la fuerte interacción entre lo grande y lo pequeño. Las fluctuaciones más pequeñas de alguna manera saben acerca de la geometría general del espacio-tiempo, y saben que deben crecer fuera de los límites.
Es este aspecto el que ahora estamos tratando de entender. Después de todo, nuestro gran universo existe, así que ¿qué mecanismo podría haber mantenido estas fluctuaciones bajo control cuando el universo era pequeño? ¿Cuáles eran las condiciones verdaderas en el big bang, del cual todo lo que conocemos seguía? El misterio permanece intacto, y nuestra búsqueda continúa.
Jean -Luc Lehners es líder del grupo de cosmología teórica del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) en Alemania.
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