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por�Ethan
Siegel del Sitio�Web BigThink
traducci�n de
Adela Kaufmann � �
La teor�a de la inflaci�n c�smica predice un Multiverso: pero cada una de esas regiones donde ocurre un Big Bang est� completamente separada una de otra, con nada m�s que continuamente infl�ndose en el espacio entre ellos. No podemos detectar estos otros Universos, �pero su existencia puede inevitable en el contexto de la inflaci�n. (Cr�dito: Geraint Lewis y Luke Barnes) � � �
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sin una prueba directa y pr�ctica, el Multiverso es muy controvertido. Pero sus pilares de soporte seguro con seguridad son estables... � � � Cuando miramos�el Universo�hoy, simult�neamente nos cuenta dos historias sobre s� mismo.
Claro, podemos mirar objetos a grandes distancias, y eso nos dice c�mo era el Universo en el pasado distante: cuando se emiti� por primera vez la luz que llega hoy. � Pero necesitamos combinar eso con nuestras teor�as del Universo, las leyes de la f�sica en el marco del�Big Bang, para interpretar lo que ocurri� en el pasado. � Cuando hacemos eso, vemos evidencia extraordinaria de que nuestro Big Bang caliente fue precedido y establecido por una fase anterior: la inflaci�n c�smica. � Pero para que la inflaci�n nos brinde un Universo consistente con lo que observamos, hay un ap�ndice inquietante que viene con el viaje: He aqu� por qu� los f�sicos afirman abrumadoramente que debe existir un Multiverso. � �
El modelo del 'pan de pasas' del Universo en expansi�n, donde las distancias relativas aumentan a medida que se expande el espacio (masa). Cuanto m�s lejos est�n dos pasas una de la otra, mayor ser� el corrimiento al rojo observado en el momento en que se reciba la luz. La relaci�n corrimiento al rojo-distancia predicha por el Universo en expansi�n se confirma en las observaciones, y ha sido consistente con lo que se sabe desde la d�cada de 1920. (Cr�dito: Equipo cient�fico de la NASA/WMAP) � � En la d�cada de 1920, la evidencia se volvi� abrumadora, de que las copiosas espirales y el�pticas en el cielo no solo eran galaxias enteras en s� mismas, sino que cuanto m�s lejos se determinaba que estaba una galaxia de este tipo, mayor era la cantidad a la que su luz se desplazaba sistem�ticamente. longitudes de onda m�s largas. � Si bien inicialmente se sugirieron una variedad de interpretaciones, todas desaparecieron con evidencia m�s abundante hasta que solo qued� una:
Si el Universo se estaba expandiendo hoy, y la radiaci�n dentro de �l se estaba desplazando hacia longitudes de onda m�s largas y energ�as m�s bajas, entonces en el pasado, el Universo debe haber sido,
Mientras cualquier cantidad de materia y radiaci�n sea parte de este Universo en expansi�n, la idea del Big Bang arroja tres predicciones expl�citas y gen�ricas: �
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con la expansi�n del Universo a escala, representa miles de millones de a�os de crecimiento gravitacional �en un Universo rico en materia oscura. Tenga en cuenta que los filamentos y ricos racimos que se forman en la intersecci�n de los filamentos, surgen principalmente debido a la materia oscura; la materia normal s�lo juega un papel menor. (Cr�dito: Ralf Kaehler y Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn)
� Sin embargo, el Big Bang solo describe c�mo era nuestro Universo en sus primeras etapas;�no explica por qu� ten�a esas propiedades. � En f�sica, si conoce las condiciones iniciales de su sistema y cu�les son las reglas que obedece, puede predecir con extrema precisi�n, hasta los l�mites de su poder de c�mputo y la incertidumbre inherente a su sistema, c�mo evolucionar� arbitrariamente hasta el futuro final. � Pero, �qu� 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 informaci�n o transmitir se�ales entre s�, Entonces, �por qu� todos tienen la misma temperatura? Este es uno de los problemas con las condiciones iniciales del Big Bang; �C�mo podr�an todas estas regiones obtener la misma temperatura? a menos que hayan comenzado, de alguna manera, de esa manera? (Cr�dito: E. Siegel/M�s all� de la galaxia) � Cada vez que nos enfrentamos a una cuesti�n de condiciones iniciales - b�sicamente, �por qu� nuestro sistema comenz� de esta manera?�- solo tenemos dos opciones:
Ese segundo camino es lo que los f�sicos llaman "apelando a la din�mica", donde intentamos idear un mecanismo que haga tres cosas importantes.
La �nica idea que hemos tenido que cumpl�a con estos tres criterios era la teor�a de la inflaci�n c�smica, que ha logrado �xitos sin precedentes en los tres frentes. � �
Expansi�n exponencial, que tiene lugar durante la inflaci�n, es tan poderosa porque es implacable. Con cada ~10-35 segundos (m�s o menos) que pasan, el volumen de cualquier regi�n particular del espacio se duplica en cada direcci�n, haciendo que cualquier part�cula o radiaci�n se diluya y haciendo que cualquier curvatura r�pidamente se vuelve indistinguible del plano. Cr�dito: E. Siegel (L); Tutorial de cosmolog�a de Ned Wright (R) �
Solo que, a diferencia de�la energ�a oscura�actual, que tiene una densidad de energ�a muy peque�a (el equivalente a aproximadamente un prot�n por metro c�bico de espacio), la densidad de energ�a durante la inflaci�n fue tremenda:
La forma en que el Universo se expande durante la inflaci�n es diferente a lo que estamos familiarizados. � En un Universo en expansi�n con materia y radiaci�n, el volumen aumenta mientras que el n�mero de part�culas permanece igual y, por lo tanto, la densidad disminuye. � Dado que la densidad de energ�a est� relacionada con la tasa de expansi�n, la expansi�n se ralentiza con el tiempo.�Pero si la energ�a es intr�nseca al espacio mismo, entonces la densidad de energ�a permanece constante, al igual que la tasa de expansi�n. � El resultado es lo que conocemos como expansi�n exponencial, donde despu�s de un per�odo de tiempo muy peque�o, el Universo duplica su tama�o, y luego de ese tiempo pasa nuevamente, se duplica nuevamente, y as� sucesivamente. � En muy poco tiempo, una peque�a fracci�n de segundo, una regi�n que inicialmente era m�s peque�a que la part�cula subat�mica m�s peque�a puede estirarse para ser m�s 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 regi�n que posee las mismas propiedades. En el panel central, el espacio que podr�a haber tenido cualquier curvatura arbitraria est� 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 energ�a se inflan, proporcionando una soluci�n al problema de la reliquia de alta energ�a. As� resuelve la inflaci�n los tres grandes enigmas que el Big Bang no puede explicar por s� solo. (Cr�dito: E. Siegel/M�s all� de la galaxia) � � Durante�la inflaci�n, el Universo se estira a tama�os enormes. � Esto logra una gran cantidad de cosas en el proceso, entre ellas:
Esto reproduce los �xitos 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 d�cada de 1990 y hasta el d�a de hoy, las predicciones del escenario inflacionario concuerdan con las observaciones, a diferencia del Big Bang caliente no inflacionario. � �
Las fluctuaciones cu�nticas que ocurren durante la inflaci�n. se estiran por todo el Universo, y cuando termina la inflaci�n, se convierten en fluctuaciones de densidad. Esto lleva, con el tiempo, a la estructura a gran escala en el Universo hoy, as� como las fluctuaciones de temperatura observadas en el CMB. Es un ejemplo espectacular de c�mo la naturaleza cu�ntica de la realidad afecta a todo el universo a gran escala. (Cr�dito: E. Siegel; ESA/Planck y el DOE/NASA Grupo de trabajo interinstitucional de NSF sobre investigaci�n de CMB)
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Podemos modelar la inflaci�n como una colina, donde mientras
permaneces en la cima de la colina, te inflas, pero tan pronto como
bajas al valle, la inflaci�n llega a su fin y transfiere su energ�a
a la materia y a la radiaci�n. � La clave para que funcione es que la cima de la colina debe tener una forma lo suficientemente plana. � En t�rminos 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 inflaci�n, solo aumentando la velocidad y rodando r�pidamente cuando ingresa al valle, poniendo fin a la inflaci�n. � Hemos cuantificado la lentitud con la que debe moverse la inflaci�n, lo que nos dice algo sobre la forma de este potencial. � Siempre que la parte superior sea lo suficientemente plana, la inflaci�n puede funcionar como una soluci�n viable para�el comienzo de nuestro Universo...� � �
El modelo m�s simple de inflaci�n es que empezamos en la cima de una proverbialcolina, donde persisti� la inflaci�n, y rod� hacia un valle, donde la inflaci�n lleg� a su fin y result� 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 t�nel cu�ntico hacia un estado de menor energ�a, lo que tendr�a graves consecuencias para el Universo que conocemos hoy. (Cr�dito: E. Siegel/M�s all� de la galaxia)
� La inflaci�n, como todos los campos que conocemos, tiene que ser un�campo qu�ntico�por su propia naturaleza.�Eso significa que muchas de sus propiedades no est�n exactamente determinadas, sino que tienen una�distribuci�n�de probabilidad. � Cuanto m�s tiempo se deje pasar, mayor ser� la cantidad en la que se expanda la distribuci�n. � En lugar de hacer rodar una bola con forma de punto cuesta abajo, en realidad estamos haciendo rodar cuesta abajo una funci�n de onda de probabilidades cu�nticas. � Simult�neamente, el Universo se est� inflando, lo que significa que se est� expandiendo exponencialmente en las tres dimensiones. � Si tuvi�ramos que tomar un cubo de 1 por 1 por 1 y llamarlo "nuestro Universo", entonces podr�amos ver ese cubo expandirse durante la inflaci�n.
Despu�s de solo unos ~100 "tiempos de duplicaci�n", tendremos un Universo con aproximadamente 1090�cubos originales en �l. � �
Si la inflaci�n es un campo cu�ntico, 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 terminar� en el fondo del valle, poniendo fin a la inflaci�n, pero en muchos m�s, la inflaci�n continuar�, arbitrariamente muy lejos en el futuro. (Cr�dito: E. Siegel/M�s all� de la galaxia) � � Hasta aqu� todo bien. � Ahora, digamos que tenemos una regi�n donde esa bola cu�ntica inflacionaria rueda hacia el valle.�La inflaci�n termina ah�, ese campo de energ�a se convierte en materia y radiaci�n, y ocurre�algo que conocemos como un�Big Bang caliente. �
Esta regi�n puede tener una forma irregular, pero se requiere que se
produzca suficiente inflaci�n para reproducir los �xitos de
observaci�n que vemos en nuestro Universo.
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� Dondequiera que ocurra la inflaci�n (cubos azules), da lugar a exponencialmente m�s regiones del espacio con cada paso adelante en el tiempo. Incluso si hay muchos cubos donde termina la inflaci�n (X rojas), hay muchas m�s regiones donde la inflaci�n continuar� en el futuro. El hecho de que esto nunca llega a su fin, y es lo que hace que la inflaci�n sea 'eterna' una vez que comienza, y de d�nde proviene nuestra noci�n moderna de Multiverso. (Cr�dito: E. Siegel/M�s all� de la galaxia)
� Aqu� est� el problema:
Si preguntas,
... encontrar�s que, si deseas que las regiones donde termina la inflaci�n sean lo suficientemente grandes como para ser consistentes con las observaciones, entonces las regiones donde no termina son exponencialmente m�s grandes y la disparidad empeora a medida que pasa el tiempo. � Incluso si hay un n�mero infinito de regiones donde termina la inflaci�n, habr� una infinidad mayor de regiones donde persiste. � Adem�s, las diversas regiones donde termina, donde ocurren�los Big Bangs calientes, estar�n causalmente desconectadas, separadas por m�s espacio eternamente infl�ndose. � �
Una ilustraci�n de Universos m�ltiples e independientes, causalmente desconectados unos de otros en un oc�ano c�smico en constante expansi�n, �es una representaci�n de la idea del Multiverso. Los diferentes Universos que surgen pueden tener diferentes propiedades entre s� o puede que no, pero no sabemos c�mo probar la hip�tesis del Multiverso de ninguna manera. (Cr�dito: Ozytive/dominio p�blico) � � Eso es lo que es�el Multiverso, y por qu� los cient�ficos aceptan su existencia como�la posici�n predeterminada... � Tenemos evidencia abrumadora�del Big Bang caliente, y tambi�n de que el Big Bang comenz� con un conjunto de condiciones que no tienen una explicaci�n de facto. � Si a�adimos una explicaci�n para ello,�la inflaci�n c�smica, entonces ese espacio-tiempo inflado que se estableci� y dio lugar al Big Bang hace su propio conjunto de predicciones novedosas. � Muchas de esas predicciones se confirman mediante la observaci�n, pero tambi�n surgen otras predicciones como consecuencia de la inflaci�n. � Uno de ellos es la existencia de una mir�ada 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 cu�nticos que puedas imaginar ocurran en alg�n otro lugar del Multiverso. � Ni siquiera significa que el Multiverso sea real, ya que esta es una predicci�n que no podemos verificar, validar o falsificar. �
Pero si la teor�a de la inflaci�n es buena, y los datos dicen que lo
es, un Multiverso es casi�inevitable... � Ahora, al menos, entiendes por qu�... � � � |
