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por Ethan
Siegel del Sitio Web BigThink
traducción de
Adela Kaufmann
La teoría de la inflación cósmica predice un Multiverso: pero cada una de esas regiones donde ocurre un Big Bang está completamente separada una de otra, con nada más que continuamente inflándose en el espacio entre ellos. No podemos detectar estos otros Universos, pero su existencia puede inevitable en el contexto de la inflación. (Crédito: Geraint Lewis y Luke Barnes)
sin una prueba directa y práctica, el Multiverso es muy controvertido. Pero sus pilares de soporte seguro con seguridad son estables...
Cuando miramos el Universo hoy, simultáneamente nos cuenta dos historias sobre sí mismo.
Claro, podemos mirar objetos a grandes distancias, y eso nos dice cómo era el Universo en el pasado distante: cuando se emitió por primera vez la luz que llega hoy.
Pero necesitamos combinar eso con nuestras teorías del Universo, las leyes de la física en el marco del Big Bang, para interpretar lo que ocurrió en el pasado.
Cuando hacemos eso, vemos evidencia extraordinaria de que nuestro Big Bang caliente fue precedido y establecido por una fase anterior: la inflación cósmica.
Pero para que la inflación nos brinde un Universo consistente con lo que observamos, hay un apéndice inquietante que viene con el viaje: He aquí por qué los físicos afirman abrumadoramente que debe existir un Multiverso.
El modelo del 'pan de pasas' del Universo en expansión, donde las distancias relativas aumentan a medida que se expande el espacio (masa). Cuanto más lejos estén dos pasas una de la otra, mayor será el corrimiento al rojo observado en el momento en que se reciba la luz. La relación corrimiento al rojo-distancia predicha por el Universo en expansión se confirma en las observaciones, y ha sido consistente con lo que se sabe desde la década de 1920. (Crédito: Equipo científico de la NASA/WMAP)
En la década de 1920, la evidencia se volvió abrumadora, de que las copiosas espirales y elípticas en el cielo no solo eran galaxias enteras en sí mismas, sino que cuanto más lejos se determinaba que estaba una galaxia de este tipo, mayor era la cantidad a la que su luz se desplazaba sistemáticamente. longitudes de onda más largas.
Si bien inicialmente se sugirieron una variedad de interpretaciones, todas desaparecieron con evidencia más abundante hasta que solo quedó una:
Si el Universo se estaba expandiendo hoy, y la radiación dentro de él se estaba desplazando hacia longitudes de onda más largas y energías más bajas, entonces en el pasado, el Universo debe haber sido,
Mientras cualquier cantidad de materia y radiación sea parte de este Universo en expansión, la idea del Big Bang arroja tres predicciones explícitas y genéricas:
con la expansión del Universo a escala, representa miles de millones de años de crecimiento gravitacional en un Universo rico en materia oscura. Tenga en cuenta que los filamentos y ricos racimos que se forman en la intersección de los filamentos, surgen principalmente debido a la materia oscura; la materia normal sólo juega un papel menor. (Crédito: Ralf Kaehler y Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn)
Sin embargo, el Big Bang solo describe cómo era nuestro Universo en sus primeras etapas; no explica por qué tenía esas propiedades.
En física, si conoce las condiciones iniciales de su sistema y cuáles son las reglas que obedece, puede predecir con extrema precisión, hasta los límites de su poder de cómputo y la incertidumbre inherente a su sistema, cómo evolucionará arbitrariamente hasta el futuro final.
Pero, ¿qué condiciones iniciales necesitaba tener el Big Bang en su inicio para darnos el Universo que tenemos?
Es un poco sorprendente, pero lo que encontramos es que,
Si estas tres regiones diferentes del espacio nunca tuvieron tiempo paratermalizar, compartir información o transmitir señales entre sí, Entonces, ¿por qué todos tienen la misma temperatura? Este es uno de los problemas con las condiciones iniciales del Big Bang; ¿Cómo podrían todas estas regiones obtener la misma temperatura? a menos que hayan comenzado, de alguna manera, de esa manera? (Crédito: E. Siegel/Más allá de la galaxia)
Cada vez que nos enfrentamos a una cuestión de condiciones iniciales - básicamente, ¿por qué nuestro sistema comenzó de esta manera? - solo tenemos dos opciones:
Ese segundo camino es lo que los físicos llaman "apelando a la dinámica", donde intentamos idear un mecanismo que haga tres cosas importantes.
La única idea que hemos tenido que cumplía con estos tres criterios era la teoría de la inflación cósmica, que ha logrado éxitos sin precedentes en los tres frentes.
Expansión exponencial, que tiene lugar durante la inflación, es tan poderosa porque es implacable. Con cada ~10-35 segundos (más o menos) que pasan, el volumen de cualquier región particular del espacio se duplica en cada dirección, haciendo que cualquier partícula o radiación se diluya y haciendo que cualquier curvatura rápidamente se vuelve indistinguible del plano. Crédito: E. Siegel (L); Tutorial de cosmología de Ned Wright (R)
Solo que, a diferencia de la energía oscura actual, que tiene una densidad de energía muy pequeña (el equivalente a aproximadamente un protón por metro cúbico de espacio), la densidad de energía durante la inflación fue tremenda:
La forma en que el Universo se expande durante la inflación es diferente a lo que estamos familiarizados.
En un Universo en expansión con materia y radiación, el volumen aumenta mientras que el número de partículas permanece igual y, por lo tanto, la densidad disminuye.
Dado que la densidad de energía está relacionada con la tasa de expansión, la expansión se ralentiza con el tiempo. Pero si la energía es intrínseca al espacio mismo, entonces la densidad de energía permanece constante, al igual que la tasa de expansión.
El resultado es lo que conocemos como expansión exponencial, donde después de un período de tiempo muy pequeño, el Universo duplica su tamaño, y luego de ese tiempo pasa nuevamente, se duplica nuevamente, y así sucesivamente.
En muy poco tiempo, una pequeña fracción de segundo, una región que inicialmente era más pequeña que la partícula subatómica más pequeña puede estirarse para ser más grande que todo el Universo visible en la actualidad...
nuestro universo moderno tiene las mismas propiedades (incluida la temperatura) en todas partes, debido a que se originaron en una región que posee las mismas propiedades. En el panel central, el espacio que podría haber tenido cualquier curvatura arbitraria está inflado hasta el punto en que no podemos observar cualquier curvatura hoy, resolviendo el problema de la planitud. Y en el panel inferior, las pre-existentesreliquias de alta energía se inflan, proporcionando una solución al problema de la reliquia de alta energía. Así resuelve la inflación los tres grandes enigmas que el Big Bang no puede explicar por sí solo. (Crédito: E. Siegel/Más allá de la galaxia)
Durante la inflación, el Universo se estira a tamaños enormes.
Esto logra una gran cantidad de cosas en el proceso, entre ellas:
Esto reproduce los éxitos del Big Bang caliente, no inflacionario, proporcionando un mecanismo para explicar las condiciones iniciales del Big Bang y haciendo una serie de predicciones novedosas que difieren de un comienzo no inflacionario.
A comienzos de la década de 1990 y hasta el día de hoy, las predicciones del escenario inflacionario concuerdan con las observaciones, a diferencia del Big Bang caliente no inflacionario.
Las fluctuaciones cuánticas que ocurren durante la inflación. se estiran por todo el Universo, y cuando termina la inflación, se convierten en fluctuaciones de densidad. Esto lleva, con el tiempo, a la estructura a gran escala en el Universo hoy, así como las fluctuaciones de temperatura observadas en el CMB. Es un ejemplo espectacular de cómo la naturaleza cuántica de la realidad afecta a todo el universo a gran escala. (Crédito: E. Siegel; ESA/Planck y el DOE/NASA Grupo de trabajo interinstitucional de NSF sobre investigación de CMB)
Podemos modelar la inflación como una colina, donde mientras
permaneces en la cima de la colina, te inflas, pero tan pronto como
bajas al valle, la inflación llega a su fin y transfiere su energía
a la materia y a la radiación.
La clave para que funcione es que la cima de la colina debe tener una forma lo suficientemente plana.
En términos simples, si piensas en el campo inflacionario como una pelota en la cima de esa colina, debe rodar lentamente durante la mayor parte de la inflación, solo aumentando la velocidad y rodando rápidamente cuando ingresa al valle, poniendo fin a la inflación.
Hemos cuantificado la lentitud con la que debe moverse la inflación, lo que nos dice algo sobre la forma de este potencial.
Siempre que la parte superior sea lo suficientemente plana, la inflación puede funcionar como una solución viable para el comienzo de nuestro Universo...
El modelo más simple de inflación es que empezamos en la cima de una proverbialcolina, donde persistió la inflación, y rodó hacia un valle, donde la inflación llegó a su fin y resultó en el caliente Big Bang. Si ese valle no tiene un valor de cero, sino algo positivo, valor distinto de cero, puede ser posible hacer un túnel cuántico hacia un estado de menor energía, lo que tendría graves consecuencias para el Universo que conocemos hoy. (Crédito: E. Siegel/Más allá de la galaxia)
La inflación, como todos los campos que conocemos, tiene que ser un campo quántico por su propia naturaleza. Eso significa que muchas de sus propiedades no están exactamente determinadas, sino que tienen una distribución de probabilidad.
Cuanto más tiempo se deje pasar, mayor será la cantidad en la que se expanda la distribución.
En lugar de hacer rodar una bola con forma de punto cuesta abajo, en realidad estamos haciendo rodar cuesta abajo una función de onda de probabilidades cuánticas.
Simultáneamente, el Universo se está inflando, lo que significa que se está expandiendo exponencialmente en las tres dimensiones.
Si tuviéramos que tomar un cubo de 1 por 1 por 1 y llamarlo "nuestro Universo", entonces podríamos ver ese cubo expandirse durante la inflación.
Después de solo unos ~100 "tiempos de duplicación", tendremos un Universo con aproximadamente 1090 cubos originales en él.
Si la inflación es un campo cuántico, entonces el valor del campo se extiende a lo largo del tiempo, con diferentes regiones del espacio tomando diferentes realizaciones del valor del campo. En muchas regiones, el valor del campo terminará en el fondo del valle, poniendo fin a la inflación, pero en muchos más, la inflación continuará, arbitrariamente muy lejos en el futuro. (Crédito: E. Siegel/Más allá de la galaxia)
Hasta aquí todo bien.
Ahora, digamos que tenemos una región donde esa bola cuántica inflacionaria rueda hacia el valle. La inflación termina ahí, ese campo de energía se convierte en materia y radiación, y ocurre algo que conocemos como un Big Bang caliente.
Esta región puede tener una forma irregular, pero se requiere que se
produzca suficiente inflación para reproducir los éxitos de
observación que vemos en nuestro Universo.
Dondequiera que ocurra la inflación (cubos azules), da lugar a exponencialmente más regiones del espacio con cada paso adelante en el tiempo. Incluso si hay muchos cubos donde termina la inflación (X rojas), hay muchas más regiones donde la inflación continuará en el futuro. El hecho de que esto nunca llega a su fin, y es lo que hace que la inflación sea 'eterna' una vez que comienza, y de dónde proviene nuestra noción moderna de Multiverso. (Crédito: E. Siegel/Más allá de la galaxia)
Aquí está el problema:
Si preguntas,
... encontrarás que, si deseas que las regiones donde termina la inflación sean lo suficientemente grandes como para ser consistentes con las observaciones, entonces las regiones donde no termina son exponencialmente más grandes y la disparidad empeora a medida que pasa el tiempo.
Incluso si hay un número infinito de regiones donde termina la inflación, habrá una infinidad mayor de regiones donde persiste.
Además, las diversas regiones donde termina, donde ocurren los Big Bangs calientes, estarán causalmente desconectadas, separadas por más espacio eternamente inflándose.
Una ilustración de Universos múltiples e independientes, causalmente desconectados unos de otros en un océano cósmico en constante expansión, es una representación de la idea del Multiverso. Los diferentes Universos que surgen pueden tener diferentes propiedades entre sí o puede que no, pero no sabemos cómo probar la hipótesis del Multiverso de ninguna manera. (Crédito: Ozytive/dominio público)
Eso es lo que es el Multiverso, y por qué los científicos aceptan su existencia como la posición predeterminada...
Tenemos evidencia abrumadora del Big Bang caliente, y también de que el Big Bang comenzó con un conjunto de condiciones que no tienen una explicación de facto.
Si añadimos una explicación para ello, la inflación cósmica, entonces ese espacio-tiempo inflado que se estableció y dio lugar al Big Bang hace su propio conjunto de predicciones novedosas.
Muchas de esas predicciones se confirman mediante la observación, pero también surgen otras predicciones como consecuencia de la inflación.
Uno de ellos es la existencia de una miríada de Universos, de regiones desconectadas, cada una con su propio Big Bang caliente, que comprenden lo que conocemos como un Multiverso cuando los tomas todos juntos.
Esto no significa que los diferentes Universos tengan diferentes reglas o leyes o constantes fundamentales, o que todos los posibles resultados cuánticos que puedas imaginar ocurran en algún otro lugar del Multiverso.
Ni siquiera significa que el Multiverso sea real, ya que esta es una predicción que no podemos verificar, validar o falsificar.
Pero si la teoría de la inflación es buena, y los datos dicen que lo
es, un Multiverso es casi inevitable...
Ahora, al menos, entiendes por qué...
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