ORIGEN DEL UNIVERSO SEGÚN EL MODELO CÍCLICO (ETERNO)

 

En el marco o contexto de un Vacío Cuántico o Nada Absoluta infinita y eterna, un Universo igual de eterno, aunque no necesariamente infinito renace continuamente tras colapsar una y otra vez sobre si mismo. O, dicho de otra manera, un nuevo Universo emerge a partir de un Universo previo que ha muerto y se ha contraído hasta ser una partícula extremadamente densa y caliente pero no al extremo de convertirse en una singularidad.

El Modelo Cíclico u Oscilante, que postula autosustentables ciclos infinitos o de duración indefinida del Universo tiene una primera formulación en 1922 por el físico y matemático ruso soviético Alexander Friedmann. El mismo Albert Einstein consideró esta posibilidad teórica en 1930 (al parecer, también De Sitter lo hizo), supuestamente después de que las observaciones de Edwin Hubble en 1929 echaran por tierra su constante cosmológica positiva para justificar un Universo Eterno Estático (Einstein, 1917) en contraposición a los efectos atractivos de la gravedad sobre la materia ordinaria (bariónica) que implicarían una contracción o una expansión infinita. Pero para 1934 las objeciones del físico matemático y químico físico estadounidense Richard Tolman en su artículo Relatividad, Termodinámica y Cosmología llevaron a Friedmann, de Sitter y Einstein a abandonar esta teoría por la del Universo en Expansión. Tolman señaló el límite teórico entonces infranqueable de que un Universo Cíclico era imposible porque violaba la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía (desorden) de un sistema aislado que evoluciona espontáneamente no puede disminuir con el tiempo. Según esta máxima empírica, los ciclos hacia adelante en la flecha del tiempo son cada vez más largos y grandes, mientras que los anteriores en el tiempo son cada vez más cortos y pequeños. De esto se deriva que el Universo evolucionará inevitablemente hacia un estado sin energía libre termodinámica en el que ya no podrá sostener procesos que aumenten la entropía. Ese estado es llamado “muerte térmica del Universo” o Gran Enfriamiento.

La cuestión de que el modelo cíclico no contradice la métrica FLRW, que se puede aplicar a un Universo en contracción, hizo que autores como George McVittie, Carl Friedrich von Weizsäcker y George Gamow reflotaran la idea, en especial el concepto de Big Bounce (Gran Rebote), como solución al problema de ajuste fino llamado problema del horizonte o de homogeneidad (señalado por vez primera por Wolfgang Rindler en 1956), hasta que la formulación de la teoría inflacionaria por Alan Guth en 1981 se impuso como la más probable solución teórica. El Big Bounce fue popularizado en artículos publicados por los astrofísicos alemanes Wolfgang Priester de la Universidad de Bonn y Hans-Joachim Blome de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Aquisgrán en 1987 y 1991 (Stern und Weltraum y Astronomy and Astrophysics). También en un libro publicado en 1988 por el astrofísico del Instituto de Investigación Espacial de Moscú, Iosif L. Rosental (Big Bang, Big Bounce: How Particles and Fields Drive Cosmic Evolution).

En la Cosmología del Estado Cuasi Estacionario el astrofísico indio Jayant V. Narlikar junto con Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge, Thomas Gold y Hermann Bondi (1993) utilizan la idea del rebote suave y los ciclos de contracción y expansión del Universo. La teoría pretende ser una combinación de los modelos del Big Bang y el Estado Estacionario. Básicamente el Universo pasaría por fases similares a las propuestas en los modelos cíclicos, aunque de intensidad menor. Las contracciones producen pequeños Big Bangs que aportan nueva materia y radiación. La idea fue reformulada en 2002 para hacerla compatible con la expansión acelerada del Universo descubierta en 1997, pero sin mucho éxito.

La teoría del Big Bounce se mantuvo como una teoría secundaria hasta que fue reflotada en 2001 como una nueva versión de la ekpyrosis (ἐκπύρωσις, "conflagración") y palingénesia (παλιγγενεσία, “recreación) del Universo de los estoicos, en el contexto de la cosmología de branas y la constatación de la existencia de la energía oscura en 1998, 2000 y 2001 como impulsora de la aceleración de la expansión del Universo. De este modo se consigue reconciliar la idea del Gran Rebote y el Universo Cíclico con la segunda ley de la termodinámica al establecer un modelo teórico basado en una contracción lenta con entropía en declive y la conservación en el cambio de sentido de un parche o zona causal del horizonte cosmológico sin materia (Frampton, PH, 2006).

Los modelos del Big Bounce se fundamentan en la teoría de Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, formulada por el matemático francés Élie Cartan en 1922, que constituye una teoría clásica de la gravitación alternativa a la relatividad general. Esta teoría se formula sobre la base de la geometría de Riemann-Cartan (que posee una simetría de Lorentz calibrada localmente) y ecuaciones adicionales que relacionan la torsión con el espín (espinor o bispinor de Dirac de la solución de onda plana de la ecuación de Dirac). La torsión permite a los fermiones extenderse espacialmente en vez de volverse una partícula puntual, evitando el problema de la singularidad del Big Bang tras el colapso gravitacional. En su lugar, tras un Universo en contracción, permite introducir un Big Bounce tipo cúspide en un factor de escala mínimo pero finito, que genera un puente Eintein-Rosen (agujero de gusano) hacia un nuevo Universo plano, homogéneo e isótropo en crecimiento al otro lado del horizonte de sucesos, seguido de un período finito de inflación. Luego, la densidad del Universo va disminuyendo junto con los efectos de la torsión, pasando a una fase de expansión suave (Era de la Radiación).

La Cosmología de Branas se sustenta en la Teoría de la Matriz S (John Archibald Wheeler, 1937; Werner Heisenberg, 1943) y en la Teoría de Regge (Tullio Regge, 1959). Inicia en 1968, en los trabajos del físico teórico italiano Gabriele Veneziano aplicando la función beta de la ecuación del matemático y físico suizo Leonhard Euler (1707-1783) para explicar la interacción nuclear fuerte y creando el Modelo de Resonancia Dual. Entre 1972 a 1984 John Schwarz y Jöel Scherk, además de Tamiaki Yoneya, dieron forma a la primera Teoría de Cuerdas: la Teoría de Cuerdas Bosónicas. Más tarde se desarrollan las Teorías de Supercuerdas desde 1971 (dando paso a la Primera y Segunda Revolución de Supercuerdas) y la Teoría M (teoría propuesta como una Teoría del Todo, que unifica las versiones consistentes de la Teoría de Supercuerdas, conjeturada por primera vez por Edward Witten en 1995). La base de la Cosmología de Branas son precisamente los objetos físicos llamados branas. Se trata de objetos dinámicos con masa y carga que se propagan en el espacio-tiempo según las reglas de la mecánica cuántica. Se clasifican de la siguiente manera: la 0-brana (partícula puntual de dimensión 0), 1-brana (cuerda abierta o cerrada, entidad unidimensional extendida cuyos estados vibracionales se interpretan como partículas fundamentales), 2-brana (membrana bidimensional), p-brana (objeto de dimensión arbitraria que barre el volumen-dimensional del espacio-tiempo llamado volumen-mundial) y D-brana (membrana de Dirichet, objeto extendido en los que las cuerdas abiertas pueden terminar con “condiciones de contorno de Dirichet”). La Cosmología de Branas funciona en un modelo de grandes dimensiones extra (LED) o modelo Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali (ADD), donde nuestro universo de cuatro dimensiones es una brana más moviéndose en un hiperespacio o “masa” de mayor dimensión (teoría de Kaluza-Klein o teoría KK). Las interacciones con la “masa” y las otras branas explican los efectos no observados en los modelos cosmológicos estándar.

Los Universos se originan en choques de branas, que producen Big Bangs en la mayoría de las teorías de cuerdas y supercuerdas. Sin embargo, en el modelo ecpirótico (Justin Khoury, Burt Ovrut, Paul Steinhardt y Neil Turok, 2001), el choque periódico de dos branas que se mueven en un espacio de dimensiones superiores produce reinicios del Universo. El choque de dos branas o planos orbifold paralelos produce, en la brana que constituye un Universo de cuatro dimensiones, un Big Crunch (Gran Contracción o Colapso), seguido de un Big Bang en una situación de Big Bounce (Gran Rebote). De este modo surge un nuevo Universo en una serie de ciclos que pueden extenderse infinitamente hacia el pasado y el futuro. La fuerza entre las branas sería la materia oscura. La materia y la radiación serían fluctuaciones cuánticas en el vacío generadas por la colisión de branas. La expansión neta que se produce en cada ciclo detiene la acumulación de entropía en el Universo, solucionando el problema planteado por la segunda ley de la termodinámica. El Modelo Ecpirótico produce un Universo consistente con las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas (Cosmic Microwave Background/CMB), es decir, un Cosmos con anisotropía de temperatura y polarización. También es contrario a los modelos multiversales, proponiendo una contracción lenta que genera un Big Bang liberador de una energía repulsiva de expansión más suave que produce un Universo plano y homogéneo al desacelerarse rápidamente y evita la inflación de las fluctuaciones cuánticas. De este modo las propiedades simples de nuestro Universo no serían accidentales.

En el contexto de la teoría de cuerdas se recurrió en 2008 al escenario del Big Bounce para solucionar los problemas del modelo de la Cosmología de Gases de Cuerdas (Brandenberger y Vafa, 1989). Este modelo se formuló como un intento para explicar el problema teórico de la formación de tres dimensiones macroscópicas espaciales y una dimensión macroscópica temporal en contraposición con la reducción microscópica de las dimensiones adicionales compactadas. Para ello se creó el llamado Mecanismo de Brandenberger-Vafa, que describe el proceso de descompactación de las dimensiones macroscópicas que forman parte de un toro de nueve dimensiones a partir de un Universo primitivo considerado como un gas caliente de cuerdas. Un proceso o dinámica de aniquilamiento eficiente de cuerdas y branas enrolladas en torno a una dimensión compactada permite que esta se despliegue y descompacte. Como el modelo no logró solucionar los problemas de planitud y entropía de la Cosmología Estándar, sus creadores propusieron insertar la Cosmología de Gases de Cuerdas en un escenario de Big Bounce.

Basado en la hipótesis del Big Rip (Gran Desgarramiento) y la Energía Oscura Fantasma se propuso otro modelo de Universo Cíclico en 2007. La energía fantasma y el Big Rip fueron propuestos por Robert R. Caldwell (Caldwell, 1999; 2002), físico estadounidense del Darthmouth College, basado en la constatación de la expansión acelerada del Universo por los equipos de investigación internacionales Supernova Cosmology Project y el High-Z Supernova Search Team en 1998. Esta constatación puso en primer lugar el modelo Lambda-CDM (materia oscura fría Lambda o ΛCDM) para explicar la estructura del espacio-tiempo. Eso significó reintroducir la constante cosmológica de Einstein en las ecuaciones de la Relatividad General, ya que explicaba la aceleración del Universo en base al supuesto de que una energía oscura positiva actuaba como una fuerza repulsiva contrarrestando el frenado gravitacional producido por la materia ordinaria (bariónica).

Básicamente el modelo del Big Rip contradice el del Gran Enfriamiento o Muerte Térmica del Universo que se basa en la idea de que, en un Universo con curvatura hiperbólica o plana o una energía oscura que constituye una constante cosmológica positiva, la expansión ocurrirá hasta que se produzca un estado en el que la energía se distribuye uniformemente y donde será imposible sostener procesos de aumento de la entropía. La aceleración del Universo es atribuida a la energía oscura, término acuñado por el cosmólogo estadounidense Michael S. Turner en 1998, que compone el Universo en un 68% junto con la materia oscura (27%) y la materia bariónica (5%) según el Modelo Estándar (Lambda-CDM). Caldwell propuso la existencia de un tipo de energía oscura que posee energía cinética negativa (su densidad aumenta a medida que el Universo se expande) y conduce a una aceleración de la expansión universal superior a la predicha por una constante cosmológica basada en una ecuación de estado en la que la energía oscura se disipa a medida que el Universo se expande. La energía fantasma es un desarrollo a partir de otro concepto introducido por el mismo Caldwell: la Quintaescencia (Caldwell et al, 1998), un campo escalar o fuerza fundamental según el caso, propuesto por vez primera en 1988 por Ratra, Peebles y Wetterich. Este modelo introduce la idea de una inestabilidad intrínseca del vacío, del que surgen partículas de masa negativa, así como una variación o dinámica en función del tiempo de la aceleración universal, cuestión que es desarrollada por la Teoría del Fluido Oscuro (Alexandre Arbey, 2005). Una aceleración que supere la velocidad de la luz produciría que los objetos abandonen el Universo Observable y el Horizonte Cosmológico a una velocidad superior a su expansión impidiendo la interacción de las fuerzas fundamentales al hacerse infinitas las distancias entre las partículas. Este escenario conduce a una singularidad llamada Gran Desgarramiento, en la que el Universo Observable llega a un tamaño cero, los átomos se diluyen, el tiempo se detiene y las distancias alcanzan valores infinitos (factor de escala infinito).

Para lograr un ajuste de la evolución de la energía oscura con los datos cosmológicos se formuló el modelo hipotético llamado escenario Quintom (Feng; Wang; Zhang, 2004). La idea propuesta es que para cruzar el límite de la ecuación de estado efectiva asociado a la constante cosmológica, expresado en ω = -1 (w =−1,028 ± 0,032, medido por la Colaboración Planck, 2018) -lo que implica que la densidad de la energía de vacío es distinta de 0, más bien unos 55 órdenes de magnitud menor de lo que la teoría cuántica de campos sugiere (problema de la constante cosmológica)-, se necesita algo más que el campo escalar de la energía fantasma, cuya ecuación de estado es ω <-1. Entonces propone la intervención de un segundo campo escalar, la Quintaescencia, cuya ecuación de estado es ω >-1. También se han propuesto modelos de gravedad modificada (modelo Dvali-Gabadadze-Porrati/DGP, Teoría de la gravitación métrica-afín, teoría de Horndeski) o interacciones con campos cuánticos y partículas de un Sector Oscuro u Oculto.        

El escenario Quintom (Quintaescencia más Energía Fantasma) se utilizó para producir un modelo en el marco de la cosmología inflacionaria en el que, en vez de una singularidad (Big Bang), se incluye un Gran Rebote (Cai et al, 2009).

Los físicos Lauris M. Baum y Paul Frampton, del Department of Physics and Astronomy de la University of North Carolina en Chapel Hill, también construyeron en 2007 un modelo cíclico que resuelve el problema de la entropía utilizando la energía fantasma y el Big Rip. Estos autores proponen un cambio de sentido una septillonésima (o menos) de segundo (es decir, 10−24^s o menos) antes de que se produzca el Big Rip y la conservación de una sola zona causal como nuestro Universo conteniendo únicamente energía fantasma. La materia, incluidos leptones, quarks, portadores de fuerza y agujeros negros se desintegran antes del cambio de sentido. El proceso adiabático de contracción universal (Big Crunch) se produce con una entropía en constante desvanecimiento, es decir, “regresa vacío” manteniendo una condición de estado ω <-1 para la densidad de energía y presión. Esta condición es indispensable para que no se produzcan rebotes prematuros y poder escapar al problema de la entropía.

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 IMÁGENES:

Puente de Einstein-RosenGetty Images https://www.gq.com.mx/puente-de-einstein-rosen-teoria-fisica-viajes-en-el-tiempo-explicada María González (22 de julio de 2023) Puente de Einstein-Rosen: la teoría de la física para viajar en el tiempo