ORIGEN DEL UNIVERSO SEGÚN EL MODELO DE EXPANSIÓN UNIVERSAL INFLACIONARIO (NO ETERNO)

 

Las teorías de la Inflación Cósmica o Paradigma Inflacionario tienen como antecedente los trabajos del físico ruso soviético Andrei Dmitriyevich Linde entre 1974 y 1978. El modelo de Inflación de Starobinsky (por el físico y cosmólogo ruso soviético Alexei Alexandrovich Starobinsky), formulado en 1979, es de hecho el primer modelo teórico inflacionario. Sin embargo, el estadounidense Alan Harvey Guth es admitido como quien propuso formalmente la teoría en 1981. Los modelos se realizan en general sobre la base de la métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) y del modelo de Universo de Einstein-De Sitter (formulado por Albert Einstein y Willem de Sitter en 1932), es decir, un Universo homogéneo e isótropo (principio cosmológico) en expansión o contracción de materia plana donde tanto la curvatura espacial como la constante cosmológica se desvanecen y dependen del tiempo. Linde propuso luego varios modelos que sustituyen o complementan la “vieja teoría” inicial de Starobinsky y Guth: la “nueva inflación (1981), la “inflación caótica” (1983), la “inflación híbrida” (1983) y la “inflación eterna” (1986). Esta última se encuentra en el contexto de las teorías del Multiverso y los escenarios eternos o infinitos. Su modelo teórico básico es la teoría del Big Bang, que predice un inicio del Universo a partir de una singularidad (Penrose, 1965, 68, 70; Hawking, 1970; George R.F. Ellis, 1973), siguiendo la propuesta del "átomo" primigenio de Lemaître (1931).

El paradigma inflacionario no eterno admite un principio y eventualmente un final del Universo. Su fundamento se encuentra en la Ley de Hubble-Lemaître (George Lemaître, 1927; Edwin Hubble, 1929) que, corroborando observaciones de astrónomos que databan de 1912, establece la existencia de una constante medible de expansión del Universo. También se asienta en el Teorema de Borde-Guth-Vilenkin (Arvin Borde, Alan Guth y Alexander Vilenkin, 2003) o Teorema BGV, que formula la máxima de que un universo en expansión a lo largo de un tiempo propio no puede ser infinito en el pasado (es geodésicamente incompleto en el pasado), sino que debe tener un límite espacio-temporal pasado. No obstante, el Teorema no especifica la condición de límite, ni el momento del evento ni la naturaleza del mismo. Tampoco podría aplicarse el teorema en los casos de posible expansión no acelerada del Universo antes de un determinado momento o límite, ni al concepto teórico de espacio-tiempo emergente o inflación eterna. Por otro lado, existen modelos de pasado infinito que resuelven el problema del crecimiento ilimitado de la entropía y son geodésicamente completos. El paradigma inflacionario es aceptado por gran parte de la oficialidad de la Física.

Para explicar el instante original del Universo, el paradigma inflacionario recurre a la Mecánica Cuántica en cualquiera de sus tres fórmulas: la ondulatoria de Schrödinger, la matricial de Heisenberg y la integral de caminos de Feynman. El Universo se habría originado a partir de una singularidad inicial (o alguna partícula cuántica) desde algún estado previo que podría definirse como un tipo de Vacío Cuántico (estado de mínima energía de un sistema) a partir de una fluctuación cuántica. 

En el Vacío Cuántico se produce la concentración de materia y energía en un punto inicial infinitamente pequeño, caliente y denso en un estado cuántico previo al espacio-tiempo. La singularidad implica el colapso del Falso Vacío en el que se originó.

Antes de producirse el Big Bang se habría formado un campo infinito llamado Inflatón en un estado de Falso Vacío. En algún punto, debido a la influencia de una gravedad cuántica repulsiva, tendió hacia el estado de Vacío Real. Al alcanzar el valor mínimo de energía se vio sometido a fluctuaciones cuánticas que lo empujan a liberar su energía inicial más alta e incrementar su energía creando campos y las partículas asociadas a ellos. La singularidad espacio-temporal que da origen al Big Bang sería una partícula cuántica surgida de una fluctuación cuántica en un vacío cuántico. En otras palabras, una fluctuación en el vacío cuántico colapsa en un universo espacio-temporal.

Este modelo teórico implica que lo único posiblemente infinito es en realidad el estado previo al Big Bang. El modelo inflacionario es generalmente admitido como válido en el modelo estándar de la cosmología física. De hecho se ha realizado una demostración matemática de su viabilidad (He, Dongshan et al 2014). Se trató de una simulación basada en la teoría de la trayectoria cuántica de De Broglie-Bohm, utilizando la ecuación de Wheeler-DeWitt (WDWE), que demostró matemáticamente que es posible el surgimiento espontáneo de una singularidad o partícula inicial desde un estado previo sin tiempo ni espacio que podría definirse como “nada”. La idea es que, una vez formada esa burbuja en el Vacío Verdadero esta es capaz por sí sola de expandirse en base a su propio potencial cuántico actuando como una constante cosmológica, sin importar si se trata de una burbuja cerrada, abierta o plana. Sin embargo, existe resistencia incluso en una parte importante de la oficialidad académica (Roger Penrose, 1986; John Earman y Jesús Mosterín, 1999; Anna Ijjas, Paul Steinhardt y Abraham Loeb, 2013) debido a que requiere la existencia de un ajuste fino o condiciones iniciales en extremo específicas para explicar distintos aspectos del modelo.

El grupo de las Teorías Cosmológicas VLS (Variable Speed of Light/Velocidad Variable de la Luz) o de c variables proponen que la máxima de la Física de que la velocidad de la luz es constante podría no ser correcta, planteando que, en realidad, podría ser variable en el espacio o en el tiempo o según la frecuencia. Los modelos de velocidad variable de la luz, al igual que otros de variación de constantes fundamentales (como la gravitacional y de estructura fina) se plantearon como alternativa a la inflación cósmica y explicación del Problema del Horizonte. A partir de la Hipótesis de los grandes números de Dirac (1937), fueron planteados por autores como Dicke (1957), Giere y Tan (1986), Jean-Pierre Petit (1988), John Moffat (1992), Andreas Albrecht y João Magueijo (1998) y Sanejouand (2009). Sin embargo, el hecho de que suponen la virtual reescritura de toda la Física Moderna y la Teoría de la Relatividad General, que dependen de una c constante, las mantiene fuera de la Física convencional. No obstante, no suponen una refutación al modelo del Big Bang y la singularidad inicial. 

Además existen serias objeciones respecto a la teoría de la singularidad inicial. Se las puede resumir en las tres paradojas que genera: la paradoja de la energía (violación de la primera ley de la termodinámica: la energía no se crea ni se destruye), la paradoja de la aniquilación materia-antimateria (implicaría la autodestrucción automática del Universo inicial) y la paradoja de la alta gravedad (para que se produjera la expansión universal las partículas habrían necesitado una velocidad de escape superior a la de la luz -3,0 x 10⁻¹ m /s o 6,7 x 10⁻¹ millas por hora- para escapar a la fuerza gravitacional y densidad infinita iniciales).

El Estado de Hartle-Hawking, formulado por James Hartle y Stephen Hawking en 1983 sobre la base de la fórmula integral de caminos de  Feynman de Mecánica Cuántica, pretende solucionar este problema hipotetizando una función de onda sin límite precediendo a la función de onda espacio-temporal (espacio-tiempo lorentziano) que surge tras el Big Bang y eliminando la singularidad inicial. Dicho Estado se describe como un vector euclidiano en un Espacio de Hilbert caracterizado por la existencia de un espacio sin tiempo (en realidad existía algo llamado “tiempo imaginario”, concepto ideado por Gian Carlo Wick en los años 70). Este diverge de esa dimensión euclidiana de cuatro dimensiones, volviéndose tiempo real, durante la Era de Planck, dando paso a un espacio tridimensional. El Universo surge de un proceso de túnel cuántico desde una geometría euclídea de volumen cero (un estado de vacío o nada absoluta caracterizado por la ausencia de campos y de espacio-tiempo) a una geometría lorentziana de tipo Einstein-De Sitter (un estado de energía y entropía cero como lo determina la Ecuación de Wheeler-DeWitt). Mediante el proceso de túnel cuántico un campo cuántico atraviesa la barrera de potencial prohibida clásicamente desde un espacio-tiempo euclídeo a uno lorentziano por el instantón (solución de la teoría clásica de campos para un espacio euclídeo) de la función de no frontera. Es decir, en lugar de una singularidad inicial y de condiciones iniciales había un espacio-tiempo euclídeo autocontenido de geometría esférica sin bordes ni fronteras. La idea del túnel cuántico como origen del Universo, sustituyendo a la singularidad gravitacional, ya había sido utilizada en 1939 por el físico Paul Dirac. Una hipótesis de inflación sin necesidad de una singularidad fue formulado por Starobinsky (1980) atendiendo a que la inflación constituye una violación de la condición de energía fuerte o dominante (la energía es mayor que la presión). Stephen Hawking formuló el Teorema de Singularidad de Hawking, como un desarrollo del Teorema de Singularidad de Penrose, precisamente para resolver este problema de las condiciones de energía. De este modo establece que el Big Bang clásico posee densidad infinita.

El  modelo de Hartle-Hawking incorpora la gravedad en la integral de caminos de Feynman. De este modo, considerando que la probabilidad de que una partícula se traslade de un punto inicial a otro es igual a la suma de las amplitudes asociadas a todos los trayectos posibles y entendiendo que la gravedad es el movimiento del espacio-tiempo, tenemos que considerar a cada trayecto posible como un espacio-tiempo individual independiente. Es decir, que nuestro Universo surge como una función de onda que consiste en una superposición cuántica de todos los espacio-tiempos posibles (integral de caminos gravitacional). En este proceso, debido al recorrido de una distancia macroscópica los trayectos espacio-temporales más próximos se destruyen entre sí y únicamente sobrevive la trayectoria clásica (Universo clásico) obedeciendo el principio de Hamilton (principio de mínima acción). Según este principio la cantidad de "acción" (como magnitud escalar que expresa el producto de la energía implicada en un proceso por el tiempo de duración de ese proceso) tiende a ser la mínima posible en la evolución temporal de un sistema físico. El Universo espacio-temporal clásico aparece cuando la fase de la función de onda varía mucho más rápido que la amplitud. De este modo el espacio se expande mucho más rápidamente produciendo una fase inflacionaria de la que surge un Universo de De Sitter con evolución temporal clásica asociada a la función escalar de la integral de acción.

Aunque la probabilidad del surgimiento de un Universo clásico es finita, el Universo euclídeo inicial es atemporal e infinito en sentido clásico. Teniendo en cuenta que la función de onda del Universo es realmente una superposición cuántica de Universos, el estado de Hartle-Hawking podría suponer un eterno ciclo de creación de Universos clásicos o incluso un Multiverso.

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IMAGEN: El Agujero Negro Interestelar https://es.wallpapers.com/fondos-de-pantalla/destinoinalcanzable-el-agujero-negro-interestelar-7f94ybcstzwsgdw8.html

Una representación ilustrativa del túnel cuántico en un contexto de física teórica. Esta representación visual ilustra el concepto de la exposición de partículas de tunelización cuántica a través de posibles barreras. el fondo colorido enfatiza el reino cuántico resaltando el comportamiento único de las partículas subatómicas. Generado por aiDreamstime LA RAZÓN: Eva Martínez Rull Creada: 25.10.2024 11:19 Última actualización: 25.10.2024 11:19 https://www.larazon.es/medio-ambiente/energia-vacio-crear-electricidad-nada-posible_20241025671b581dd8f8950001cfd088.html