¿El espacio-tiempo comenzó con el Big Bang?

La principal teoría que describe el Espacio-Tiempo y de la que parte la predicción del Big Bang se llama Relatividad General, de Einstein. Esta teoría tiene varias soluciones matemáticas y los cosmólogos trabajaron para determinar la más precisa. Hay una clase de alternativas pero todas tienen la propiedad de que las ecuaciones que describen esta solución tienen una singularidad en$T=0$. Además, cuando esta situación se examina físicamente, parece que hay una alta densidad de toda la materia del Universo allí y en ese momento. Por eso se llama el Big Bang.

La Singularidad significa que algunos términos se vuelven infinitos y otros inútilmente se vuelven cero. Así que la Relatividad General no ha sido capaz de predecir (o retrodecir) lo que sucede antes, o cómo comenzó realmente este proceso. La suposición general ha sido que se trataba de una especie de evento cuántico gigante. Esta suposición, cuando se explica utilizando una teoría más completa de la Gravedad Cuántica, aún puede ser correcta.

Sin embargo, en los últimos años, varios cosmólogos matemáticos se han tomado en serio la idea de que hubo un Pre-Big Bang. Parte de la razón de esto puede deberse a los datos de radiación de fondo cósmico de satélites como WMAP. Estos datos muestran una estructura a mayor escala en el universo primitivo de lo que habrían predicho las teorías más antiguas.

En particular, Roger Penrose ha desarrollado la opinión de que el período transcurrido desde el Big Bang debería llamarse eón, y que hubo eones anteriores, cada uno infinitamente largo. Esto hace que el Big Bang sea una especie de período de transición entre dos eones. La teoría es especulativa en varios aspectos, pero se basa en algunas construcciones matemáticas de la Relatividad General. Esta teoría se llama Cosmología Cíclica Conforme (CCC, por sus siglas en inglés).

Un breve artículo reciente Los círculos concéntricos en los datos de WMAP pueden proporcionar evidencia de actividad violenta anterior al Big-Bang que da una idea general. Aunque es técnica en algunos lugares, demuestra el tipo de evidencia que motiva esta teoría. Hay referencias en ese documento a un libro y otros documentos que describen esa teoría.

También hay otras teorías que sugieren un modelo anterior al Big Bang, tal vez otras respuestas las mencionen.

Tampoco soy cosmólogo, lo que al menos significa que puedo hablar en términos simples que no asumen que estás profundamente familiarizado con cada permutación matemática del tema. Tal como lo entiendo, el universo se está expandiendo, no solo en el sentido de que el material que contiene se está expandiendo, sino en el sentido de que el espacio-tiempo mismo se está expandiendo. Si corremos el reloj hacia atrás, todo se junta en un punto, incluido el espacio y el tiempo. Por supuesto, los físicos no pueden realmente modelar el punto en sí, pero pueden modelar las propiedades del universo a medida que nos acercamos al punto y, sorprendentemente, las predicciones parecen estar generalmente de acuerdo con lo que vemos. De ahí la idea del Big Bang. Pero la mente humana evolucionó en el espacio-tiempo, por lo que inevitablemente la gente imagina esto como un vacío en el que no hay nada por un tiempo y luego el universo explota. Sin embargo, esto tiene que estar mal. ¿Qué es exactamente el vacío en esta imagen, ya que el espacio aún no existe? ¿Cómo puede haber "un tiempo" antes del big bang si el tiempo no existiera "todavía"? (Aquí la estructura gramatical de nuestro lenguaje juega en nuestra contra, ya que asume que estamos hablando de algo que sucede en el espacio-tiempo). , así que no intentes imaginarlo de esta manera. El Big Bang solo se puede representar honestamente desde el interior del universo, por lo que no tiene sentido la pregunta de qué sucedió "antes" del Big Bang: es una tontería. De manera similar con la pregunta "¿Qué había antes del Big Bang?" No "había" (tiempo) no "allí" (espacio) para que hubiera algo. Parece que ya ha pensado en esto, y entiendo que es por eso que está haciendo la pregunta. No creo que sea irrazonable sospechar que los primeros momentos del universo no están bien modelados por las matemáticas de infinitos e infinitesimales, y que realmente no tenemos una buena comprensión de esto todavía a pesar de la concordancia con los datos empíricos. tenemos hasta ahora. Pero no se deje distraer por los físicos que quedan tan atrapados en las matemáticas que se olvidan de que el modelo no es la cosa modelada. Todavía tengo una buena comprensión de esto a pesar de la concordancia con los datos empíricos que tenemos hasta ahora. Pero no se deje distraer por los físicos que quedan tan atrapados en las matemáticas que se olvidan de que el modelo no es la cosa modelada. Todavía tengo una buena comprensión de esto a pesar de la concordancia con los datos empíricos que tenemos hasta ahora. Pero no se deje distraer por los físicos que quedan tan atrapados en las matemáticas que se olvidan de que el modelo no es la cosa modelada.

La única teoría de la gravedad bien probada que tenemos en este momento es la relatividad general (GR). En los modelos basados ​​en GR, el tiempo y el espacio solo existen para$t>0$.

Esto plantea la pregunta de qué causó el Big Bang. En relatividad, usamos el término "evento" para referirnos a una cierta posición en el espacio en un momento determinado. El big bang no es un evento, porque no hay tiempo$t=0$. Si desea encontrar una causa para algún evento que sucede en un momento dado$t>0$, siempre hay alguno antes$t'$, con$0<t'<t$, que puede suplir esa causa. Entonces, en este sentido, el big bang no requiere una causa, porque solo los eventos requieren causas, y GR no describe el big bang como un evento.

También tenemos razones fundamentales para creer que GR es inexacto bajo las condiciones muy densas y calurosas en$t < ~ 10^{-43}$s (conocido como el tiempo de Planck), debido a los efectos de la mecánica cuántica. Si tuviéramos una teoría de la gravedad cuántica que funcionara en esas condiciones, entonces podría resultar que la singularidad en$t=0$no era real, y los acontecimientos en$t>0$podría explicarse en términos de causas en$t<0$. Esto es lo que parece suceder, por ejemplo, en la cosmología cuántica de bucles. Sin embargo, nadie tiene una teoría de la gravedad cuántica que funcione y haya sido probada con experimentos, por lo que realmente no lo sabemos.

Tenga en cuenta que la solución real para el espacio-tiempo de De Sitter es un factor de escala

Esto es similar al problema del agujero blanco, que es la otra mitad de la métrica de Schwarzschild. Por lo general, ignoramos eso, y con demasiada frecuencia el espacio-tiempo de De Sitter se considera físicamente como un espacio en expansión exponencial donde$\cosh(x)~\simeq~\exp(x)$para grande$x$. Así que empezamos con la ecuación de energía FLRW

La otra mitad del hiperboloide podría involucrar físicamente un estado instantáneo o un estado de túnel. La ecuación de Schrödinger para una partícula que se mueve en una dimensión con cierto potencial$V$es

Entonces, la otra mitad del hiperboloide podría modelarse físicamente para ser un túnel de una cosmología a través de un límite potencial. Esto podría ser entonces un instante debido a una "mancha" de energía de vacío cuyo cuanto escapa de otro espacio-tiempo. Entonces, desde ese escenario, se puede ver que el universo tiene algún tipo de precursor. o está vinculado mecánicamente cuánticamente a otro espacio-tiempo. Esto podría entonces verse en el escenario de un universo multicosmológico o dentro de lo que se llama el multiverso.

Esto se basa en un hallazgo empírico sobre si el espacio-tiempo es finito o infinito. Ya sabemos que el Big Bang ocurrió hace un tiempo finito.

Si ahora se descubre que el espacio-tiempo es finito, entonces el Big Bang comenzó en un punto.

Si ahora se descubre que el espacio-tiempo es infinito, entonces el espacio-tiempo en el Big Bang también era infinito porque el infinito dividido por cualquier número finito es infinito. También significa que el Big Bang no ocurrió en un punto sino en todas partes, todo a la vez, en un inmenso torrente de luz. Digo luz, porque todo en el Big Bang no tenía masa (el campo de Higgs, en el Big Bang tiene un vev que es demasiado bajo para dar masa a cualquier partícula elemental, incluido el bosón de Higgs) y, por lo tanto, se movía a la velocidad de la luz y por lo que era similar a la luz.

También muestra que la densidad de partículas en el Big Bang tampoco puede haber sido infinita, nuevamente porque el infinito dividido por cualquier número finito sigue siendo infinito).

Por lo tanto, que se haga la luz como descripción del mundo es bastante precisa.

Hay varios modelos cosmológicos que son eternos para el pasado, así como para el futuro: incluyen la "inflación eterna de estado estacionario" de Aguirre & Gratton de 2003 (verificada como plausible por Borde, Guth y Vilenkin, en la última nota al pie de página del la última versión [de 2003] del Teorema BGV, que a menudo se malinterpreta como una prohibición total de la eternidad pasada, pero en realidad solo prohíbe la eternidad pasada en modelos que no están "en expansión promedio"), la "Cosmología con torsión" de Nikodem Poplawski de 2010, y el 2010 "Cosmología cíclica conforme" formulada por Roger Penrose, quien recibió el Premio Nobel de Física 2020 por su trabajo sobre los agujeros negros, que son un factor importante en ese modelo.

El modelo de Aguirre & Gratton consta de dos universos inflacionarios, cada uno de los cuales se expande a un ritmo casi exponencial, que están causalmente separados por una superficie de Cauchy: la "flecha del tiempo" en cada uno de ellos apunta en la dirección temporal opuesta a la del otro.

En el modelo basado en la torsión de Poplawski, cualquier gran estrella giratoria cuyo combustible nuclear se haya agotado colapsa gravitacionalmente por su propio peso debido a la falta de presión de radiación adecuada para evitar tal colapso, y el horizonte de eventos de ese colapso se combina con los efectos de las mareas para materializarse. fermiones separándolos de sus compañeros en pares partícula-antipartícula. Los fermiones recién materializados interactúan con los fermiones estelares (que inicialmente son mucho más grandes), y esa interacción hace girar a los recién materializados hacia afuera para formar un nuevo "universo local" que se expande hacia afuera, al principio a una tasa inflacionaria casi exponencial ( aunque no se requiere ninguna de las partículas especializadas de "inflatón", que se encuentran en modelos más antiguos de inflación y todavía solo hipotéticas). Poplawski compara la forma del nuevo LU con "la piel de una pelota de baloncesto". Expandiéndose indefinidamente después de su fase inflacionaria, finalmente contiene sus propios agujeros negros, que repiten el proceso, aparentemente en escalas decrecientes secuencialmente.

Aunque el modelo de Penrose de 2010 sufrió la evidencia poco clara y bastante dudosa mencionada en los comentarios sobre una respuesta anterior a la pregunta del OP, otra evidencia (encontrada más recientemente) lo ha respaldado, como se describe en la revisión de 2020 de un artículo de Meissner, An , y otros, que describieron "puntos de temperatura significativamente elevada" que todavía se pueden observar en el fondo cósmico de microondas: Penrose considera que esos puntos representan la radiación de Hawking de los agujeros negros de "eones" anteriores (en otras palabras, iteraciones temporales anteriores de un único universo muy parecido al nuestro). Ese artículo apareció varios meses antes de que Penrose recibiera el Premio Nobel de Física de 2020, que, sin embargo, se atribuyó de manera más general a su trabajo sobre agujeros negros y teoremas de singularidad. "conforme"

De estos tres modelos, todos menos el de Poplawski se basan en la Relatividad General de 1915: el de Poplawski, en cambio, se basa en la Teoría de Einstein-Cartan de 1929, una versión de la relatividad que se formuló (a través de la colaboración entre Einstein y Cartan) unos años después del descubrimiento del espín de partículas. , y requiere que los fermiones (es decir, "partículas de materia") tengan una extensión espacial diminuta, unos pocos órdenes de magnitud mayor que la longitud de Planck (que es la distancia más corta observable a través de las energías de aumento y los procedimientos que están actualmente disponibles para nosotros). Sin embargo, como cada uno de sus "universos locales" hereda su dirección de rotación de su "padre", su modelo sería falsificado si la evidencia astronómica no pudiera revelar una dirección predominante de movimiento.

Aparte de esa última evidencia observacional, debo agregar una preferencia por el modelo de Poplawski sobre los otros dos que he mencionado por tener la misma característica de eternidad tanto para el pasado como para el futuro. Mi preferencia se debe en parte a que (a diferencia de Penrose) no requiere una singularidad, y en parte a que la formación de los "universos locales" secuenciales más o menos concéntricos entre sí, en el modelo del físico polaco-estadounidense, podría proporcionar una razón gravitatoria de esa distribución expandida de la materia que acompaña a la expansión del espacio que fue bastante bien establecida por los experimentos SN1a de la década de 1990. (La versión 2021 de una preimpresión de Poplawski, visible libremente en https://arxiv.org/abs/1906.03947, elimina tanto los fluidos como las partículas subatómicas como posibles formas de materia oscura). Al integrar cambios escalares entre grandes y pequeños en el paso del tiempo, cada una de las LU en el modelo de Poplawski también proporcionaría el ejemplo más claro de un universo "expandiéndose en sí mismo". , para utilizar la terminología citada en el comentario (mencionado anteriormente en esta sesión de preguntas y respuestas) del premio Nobel John Mather.

Como cada universo local en el cosmos de Poplawski continúa expandiéndose "indefinidamente" después del rebote que he descrito (o una serie de ellos, vinculados a la bariogénesis con el espaciamiento temporal que Gamow primero relacionó con las proporciones de varios elementos encontrados dentro de cada LU), el efecto global es el promedio entre la expansión y la contracción que requería BGV.

Dado que había sido desalentada por la suposición tradicional de que el infinito podría carecer necesariamente de cualquier forma inherente, la plausibilidad de universos locales cerrados o universos de burbujas, en Poplawski y otros modelos de un multiverso inflacionario, se ha incrementado considerablemente a través de un estudio reciente de datos CMB por Joseph Silk y colaboradores, publicado en Nature Astronomy, Vol.4, febrero de 2020, p.196-203. (El artículo de la revista, titulado "Evidencia de Planck de un Universo cerrado y una posible crisis para la cosmología", está actualmente disponible gratis en línea, pero eso puede cambiar).

Lo dudo seriamente. Hay bastantes teorías que intentan discutir "el comienzo del universo", y no todas están de acuerdo con tener un "comienzo" del universo.

No tengo hechos concretos para respaldar lo que voy a decir, así que considérelo como "solo otra idea".

"Todo nuestro universo estaba en un lugar denso y caliente, luego, hace catorce mil millones de años, comenzó la expansión". Así que hubo una gran explosión y todo trató de alejarse de todo lo demás. Este proceso ha estado ocurriendo durante unos catorce mil millones de años y eventualmente se detendrá. Porque una gran parte de las fuerzas de atracción/repulsión (fuerza electromagnética que puede atraer y repeler) habrán sido neutralizadas (como una piedra que tiene electrones y protones pero no atrae ni repele), y las fuerzas de atracción (gravedad) tomar el control. El universo comienza a hacerse más pequeño y más denso, y se colapsa en un pequeño lugar caliente y denso, y en los "lugares calientes", las fuerzas repulsoras eventualmente se hacen cargo, y así ocurre otro estallido,