¿Qué evidencia refuta un "huevo cósmico pre-eternamente existente"?

Cuando la física era solo una ciencia descriptiva, ni siquiera se tenía una definición estricta de energía.

Cuando las observaciones se cuantificaron, las matemáticas, utilizadas como herramienta, comenzaron a modelar datos de observación con precisión y a dar predicciones para observaciones que aún no se habían visto.

Así tenemos el éxito de Newton et al en la descripción de nuestro sistema planetario.

Sin embargo, los modelos matemáticos tienen una región de validez. La validez de la mecánica newtoniana termina en precisiones donde se mantiene la relatividad especial o incluso la relatividad general.

La validez de la mecánica estadística y la termodinámica termina donde las dimensiones cuánticas se vuelven importantes. Un ejemplo relevante es la radiación de cuerpo negro:

La cantidad de radiación emitida en un rango de frecuencia dado debe ser proporcional al número de modos en ese rango. Lo mejor de la física clásica sugería que todos los modos tenían la misma posibilidad de producirse y que el número de modos aumentaba proporcionalmente al cuadrado de la frecuencia.

Pero el aumento continuo previsto en la energía radiada con frecuencia (llamada la "catástrofe ultravioleta") no sucedió. La naturaleza lo sabía mejor.

La línea cuántica se cruzó y la catástrofe ultravioleta es solo un infinito proveniente de una extrapolación de un modelo inválido para ese régimen.

Un experimento gedanken: el potencial de una carga puntual es 1/r. Si vamos a r=0 el potencial se vuelve infinito. Una vez más, la naturaleza cuántica de la Naturaleza hace que esta extrapolación no tenga sentido, aunque funciona extremadamente bien hasta que alcanzamos dimensiones cuánticas donde la teoría cuántica de campos toma el control.

El Big Bang es una extrapolación de un modelo exitoso del universo donde en el centro, tiempo = 0, se encuentra una gran singularidad. Usualmente en física esto significa que la región de validez del modelo ha dejado de ser relevante para el mundo real.

El problema es que no es posible hacer experimentos que se acerquen a t=0 del Big Bang. Si seguimos la forma en que la naturaleza resolvió el problema en otros infinitos, podríamos esperar que la mecánica cuántica venga al rescate. Todavía no tenemos un marco coherente para GR y QM.

Antes de un tiempo clasificado como tiempo de Planck, 10^-43 segundos, se supone que las cuatro fuerzas fundamentales se unificaron en una sola fuerza. Se supone que toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo explotaron hacia afuera desde la singularidad original. Nada se sabe de este período.

En el futuro, podríamos obtener datos de observación más precisos que podrían distinguir diferentes modelos (tal vez predigan zumbidos o concentraciones especiales de materia que podrían verificarse en unos pocos siglos, etc.). Ya estamos cerca de la etapa de ciencia ficción. Lo ideal sería que el modelo que unifica mecánicamente cuánticamente las cuatro fuerzas también resuelva o al menos dé un vistazo satisfactorio para el tiempo t<0, pero no aguantaría la respiración.

Si está buscando que la comunidad científica llegue a un consenso sobre lo que existía antes del Big Bang, bueno, se sentirá decepcionado.

Como han aludido otros, el Big Bang no es exactamente la historia de la creación del universo. Más bien, es el resultado de una extrapolación que sabemos que no podemos continuar indefinidamente.

Todo esto comenzó a principios del siglo XX, cuando astrónomos como Hubble se dieron cuenta de que el universo parecía estar expandiéndose. Al mismo tiempo, los teóricos que trabajaban en el desarrollo de la relatividad general se dieron cuenta de que la idea de un universo en expansión encajaba bastante bien en sus modelos.

En este punto, no fue un gran salto preguntar: "Bueno, si el universo se está expandiendo, ¿qué sucede si retrocedemos en el tiempo? Debe haber sido más pequeño entonces". Y, de hecho, esos teóricos se dieron cuenta de que el "tamaño" del universo llega a cero en un tiempo finito en el pasado. Al mismo tiempo, la temperatura y la densidad necesariamente deben ir al infinito.

Ahora, nadie realmente pensó que estos ceros e infinitos en realidad describieran la naturaleza. Más bien, eran:

• (1) Una señal de que la teoría estaba completamente fuera de lugar. Esta fue la posición de los defensores de la cosmología del estado estacionario , uno de los cuales acuñó el término "Big Bang" solo para resaltar cuán ridícula era la noción.
• (2) Una señal de que la teoría estaba incompleta. En épocas bastante tempranas, con temperaturas y densidades insondablemente grandes, la nueva física entraría en juego. La única razón por la que la teoría parecía dar infinitos era nuestra ignorancia de parte de la física. Esto es comparable a cómo las teorías básicas predijeron que un avión experimentaría una resistencia infinita a medida que se acercaba a la velocidad del sonido, por lo que la barrera del sonido solo podría romperse con la inclusión de mejores modelos físicos en el régimen.

La comunidad científica ha llegado a un consenso de que la opción (2) es correcta, abandonando la opción (1). ¹

¿Como sabemos? Bueno, incluso si la teoría no se extiende de manera confiable hasta el comienzo de todas las cosas, todavía hace predicciones cuantitativas basadas en instancias en las que podemos extrapolar de manera confiable hacia atrás en el tiempo. En particular, tomando lo que sabemos acerca de la física de partículas, podemos preguntar: "Si el universo fuera originalmente demasiado caliente para formar núcleos (no importa cuánto más caliente), y luego se expandió y se enfrió, ¿qué distribución de núcleos tendríamos?" ¿Esperas que se condense?" Esa distribución predicha coincide bastante bien con la distribución observada. Puede leer más sobre la nucleosíntesis del Big Bang, por ejemplo, en esta respuesta a ¿Qué se ha demostrado sobre el Big Bang y qué no?

Pero en algún punto de la extrapolación termina el consenso. Si preguntas, "¿Cómo era el universo en el primer$10^{-50}\ \mathrm{s}$?", se le dirá: "Tenemos ideas, pero necesitamos más de un marco teórico antes de decir algo definitivo".

Si va más allá y pregunta: "¿Qué hubo antes del Big Bang?" de diez cosmólogos, obtendrá al menos una docena de respuestas diferentes. Algunas de las teorías más populares (o al menos más discutidas) son:

• Esta pregunta ni siquiera está bien definida. En este punto de vista tradicional de relatividad general pura, preguntar: "¿Es correcto este modelo para la existencia de cosas antes de que existieran cosas?" es pura tontería. Es como decir "Sea ☢ el mayor entero positivo menor que 0. ¿Es ☢ un número primo?" Preguntar por propiedades de cosas que no existen ni siquiera tiene sentido, y no hay más "antes del Big Bang" que un entero positivo menor que 0 o un número real menor que$-\infty$.
• Inflación eterna : Aproximadamente la idea de que todo se está expandiendo, y de vez en cuando una fluctuación cuántica frena la expansión en un pequeño parche, que se convierte en el universo visible.
• Un universo cíclico : un universo que se contrae se vuelve muy pequeño, sufre un "Big Crunch" y, una vez que tiene una densidad extremadamente alta pero no matemáticamente infinita, "rebota" en un Big Bang, dejando poco rastro de la encarnación anterior del universo. .
• El universo ekpyrotic : dos branas al estilo de la teoría de cuerdas chocan en un fondo "preexistente", y el resultado es el nacimiento del universo tal como lo conocemos.

Entonces, hay muchas ideas científicas sobre lo que sucedió antes del Big Bang, pero no se puede señalar una colección de teorías en conflicto como evidencia de que una teoría separada es incorrecta. ²

¹ Me siento obligado a señalar que los partidarios de la teoría del estado estacionario, mientras aún era popular, terminaron haciendo grandes contribuciones a la física de todos modos. En particular, fueron pioneros en el campo de la nucleosíntesis estelar en un esfuerzo por explicar cómo las estrellas podían convertir el hidrógeno en elementos pesados. Como resultado, también impulsaron considerablemente el campo de la física nuclear general.

² Si quiere desafiar una teoría, así es como la pone a prueba. En primer lugar , la teoría debe estar bien definida. No puede tener frases poéticas colgando que no significan nada más que sonar "ciencia". En segundo lugar , debe ser internamente autoconsistente, al menos dentro de su supuesto dominio de aplicabilidad. La mayoría de las teorías rechazadas por la comunidad científica desde el principio fallan en estas pruebas. Si la teoría pasa, el tercer paso es preguntar si puede explicar las observaciones ya explicadas por las teorías que afirma reemplazar. Si no, entonces se considera un buen intento, pero no en línea con la naturaleza. Finalmente, si la teoría pasa las primeras tres pruebas, le pide que prediga algo nuevo de tal manera que sus competidores no estén de acuerdo con ella. Si esto no se puede hacer, la teoría no es nueva, sino más bien una reformulación de una vieja teoría (que puede o no ser útil tener). Si se puede hacer, pero el experimento posterior refuta la nueva teoría, entonces se considera un intento muy bueno que simplemente no funciona con la naturaleza. Solo si pasa esta cuarta prueba se acepta como una nueva teoría científica funcional, pero incluso entonces puede ser reemplazada en el futuro por mejores teorías.

Antes de entrar en la física, debo decir que esta línea particular de argumentación de los YEC es bastante irónica. La cosmología del Big Bang fue originada por un sacerdote y astrónomo católico belga, Lemaitre. Antes de la obra de Lemaitre, la iglesia católica ya había llegado a la conclusión de que el tiempo debía haber tenido un comienzo, basándose en argumentos teológicos. Supongo que los YEC ignoran esta historia o la tratan con recelo porque su punto de vista protestante fundamentalista es muy diferente del tipo de tradición intelectualmente sofisticada y no literalista de la que formaba parte Lemaitre (su primera educación fue jesuita).

De todos modos, hay serios problemas con esta interpretación.

En la década de 1930, Richard Chace Tolman trabajó en cosmologías cíclicas, en las que el universo se expandía y contraía indefinidamente. Sus conclusiones, resumidas en un libro (Tolman 1934) elaboraron sistemáticamente toda la termodinámica de estos modelos y concluyeron que no eran viables en base a la segunda ley de la termodinámica. Aunque varias personas posteriores idearon trucos teóricos para sortear estos problemas, la expectativa genérica y muy clara es que si el universo hubiera sido eterno en el pasado y hubiera operado de acuerdo con las leyes conocidas de la física durante ese período infinito de tiempo, habría han alcanzado el equilibrio termodinámico infinitamente lejos en el pasado. Esto significa que si estos YEC en particular quieren que esta idea en particular se tome en serio, la carga de la prueba recae en ellos para decir qué truco teórico proponen para evadir este problema. Pero, por supuesto, (1) tienen en mente una descripción sobrenatural en lugar de naturalista del período anterior al Big Bang, y (2) YEC no es un marco lógicamente coherente sino una colección aleatoria de ideas, que los YEC pueden proponer y luego renuncia cuando es conveniente.

Otro problema con esta propuesta es que, a diferencia del tipo de cosmologías cíclicas en las que trabajó Tolman, parece estar basada en un malentendido popular común del big bang como una explosión que ocurrió en algún punto de partida particular (su "huevo") en un espacio preexistente. Tal imagen no es consistente con la relatividad general, que en este punto es una teoría muy bien probada y exitosa. La cosmología moderna es una ciencia de alta precisión, por lo que aquí existen restricciones estrictas. Las mediciones de la curvatura espacial del universo muestran que es muy cercana a cero, y esto implica un límite inferior del tamaño del universo, asumiendo una homogeneidad e isotropía aproximadas. Este tamaño es demasiado grande para que toda la materia haya llegado a donde está partiendo del mismo punto. La única forma de evitar esto sería abandonar la isotropía y la homogeneidad, pero existe una fuerte evidencia observacional a favor de la isotropía y la homogeneidad. La gente ha propuesto cosas como modelos con grandes vacíos en ellos, pero mi recuerdo es que estos realmente no terminaron siendo viables según las últimas observaciones. Nuevamente, el problema es que los YEC no siguen las reglas. Si quieren proponer algún tipo de cosmología no homogénea, necesitan especificar cuál es su modelo y demostrar que es compatible con la observación.

Tolman, 1934, Relatividad, termodinámica y cosmología, http://books.google.com/books?id=1ZOgD9qlWtsC&lpg=PP1&pg=PP1#v=onepage&q&f=true

La Teoría del Big Bang en sí misma no dice nada sobre lo que vino "antes" del Big Bang. Hay varias conjeturas, la mayoría relacionadas con la idea de que el vacío es inestable, lo cual es un hecho aceptado: un vacío total violaría el Principio de Incertidumbre y, como resultado, las partículas aparecen y desaparecen constantemente. Esto ha sido probado con la demostración del Efecto Casimir .

Un libro interesante para leer es " Un universo de la nada " de Lawrence Krauss.

El momento del Big Bang fue una singularidad , lo que significa (con respecto al tiempo, de todos modos) que la cadena de causa y efecto se rompe en ese punto. Eso no significa necesariamente que nada haya causado el Big Bang, o que no haya nada antes. Todo lo que significa es que no hay forma de rastrear ninguno de los efectos que sucedieron después de ese momento hasta ninguna causa particular que sucediera antes. Esto es (por supuesto) explicado y explorado en Breve historia del tiempo de Stephen Hawking .

Me centraré solo en la parte de la pregunta sobre la teoría del "huevo que explota" como alternativa a la teoría del Big Bang. En pocas palabras, el huevo que explota dice que no necesitamos un Big Bang, solo podemos suponer que todas las cosas estuvieron hace mucho tiempo muy cerca unas de otras y que solo hubo una explosión que voló las partes. Sin pensarlo profundamente, el huevo que explota podría parecer posible, pero tiene algunos problemas. El más fácil de explicar podría ser el que se presenta de manera muy completa con imágenes en la serie de conferencias en línea de Paul Francis y Brian Schmidt, vea aquí : una explosión requiere que haya una diferencia en la densidadde la materia expulsada, tendría cosas que se mueven más rápido y cosas que se mueven más lentamente (por lo tanto, más densidad hacia el centro de explosión) o tendría todas las partes con la misma velocidad (por lo tanto, todo tiene la misma densidad, pero solo en un caparazón y fuera del caparazón solo hay densidad = 0). Pero esto no es lo que observamos. Observamos que el universo es homogéneo e isótropo en cualquier dirección. Y esto es algo que el huevo que explota no explica, pero Big Bang sí. ¿Cómo? Aquí viene lo que creo que es el punto principal del Big Bang: dice que no hubo una explosión EN el espacio, sino un comienzo de la expansión DEL espacio.. Y debido a que el espacio mismo ha estado y sigue expandiéndose desde que ves que las cosas se alejan unas de otras (¡si están lo suficientemente lejos unas de otras!), pero la disminución de la densidad con el tiempo es la misma en todas las direcciones del universo.

Los argumentos creacionistas casi siempre se desacreditan en algún lugar de An Index to Creationist Claims . Consulte aquí y aquí para conocer las preocupaciones sobre la energía original. Eso dijo:

El objetivo de la cosmología es comprender la historia del Universo lo más atrás posible.${}^\dagger$, de una manera que se ajuste a las observaciones y al resto de nuestra teoría física. El Universo ha pasado los últimos 13,8 Gigaaños más o menos expandiéndose desde un estado muy denso. Este hecho sobre su historia predice correctamente varios hechos observables. Primero se postuló, sin una estimación tan precisa de cuánto tiempo ha estado sucediendo, para explicar la ley de Hubble, pero desde entonces ha dado sentido a otros hechos, como la radiación CMB y las proporciones de nucleidos primordiales.

Actualmente no podemos respaldar con datos de observación ninguna afirmación específica sobre lo que estaba haciendo el Universo antes de que comenzara esta expansión, o incluso si existía antes de esto; ninguna otra teoría obliga a una respuesta específica. (Ver también aquí .) Simplemente usamos el término "edad del Universo" como abreviatura de cuánto tiempo hace que comenzó esta expansión, en parte porque un estado tan denso nos ocultaría observacionalmente cualquier período anterior hipotético.

Pero el Big Bang es compatible tanto con la observación como con la teoría; de hecho, tal expansión es requerida por la relatividad general si, en grandes escalas de longitud, el Universo es homogéneo e isotrópico. No hay razón teórica para que no lo sea, y las observaciones tampoco lo cuestionan.

${}^\dagger$Y es presente y futuro lo más adelante posible, pero dejemos de lado ambas consideraciones por ahora.