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Físicos exploran la posibilidad de vestigios de un universo previo al Big Bang

La Teoría del Big Bang es la más conocida y la más aceptada explicación para el principio y evolución del universo, pero los científicos todavía no están completamente seguros de ello.

El físico brasileño Juliano Cesar Neves es parte de un grupo de investigadores que se atreven a imaginar un origen diferente. En un estudio recientemente publicado en la revista Teoría General y Gravitación, Neves sugiere la eliminación de un elemento fundamental del modelo standard cosmológico: la necesidad de una singularidad del espacio-tiempo conocido como el Big Bang.

Al plantear esta posibilidad, Neves desafía la idea de que el tiempo tuvo un comienzo y reintroduce la posibilidad de que la actual expansión estuviera precedida por una contracción, “Yo creo que el Big Bang nunca sucedió”, afirma el físico, quien trabaja como investigador en el Instituto de Matemáticas, Estadística y Computación Científica de la Universidad de Campinas, en el estado de Sao Paulo, Brasil.

Para Neves, la etapa de expansión rápida espacio-temporal no excluye la posibilidad de una primera fase de contracción. Además, el cambio de contracción a expansión puede no haber destruido todos los vestigios de la fase anterior.

El artículo, que refleja el trabajo desarrollado bajo el Proyecto Temático “Física y geometría del espacio-tiempo”, considera las soluciones a las ecuaciones de la relatividad general que describen la geometría del cosmos y luego propone la introducción de un “factor de escala” que hace que la tasa en la cual el universo se expande no solo dependa del tiempo sino también de la “escala cosmológica”.

“Para medir la velocidad a la que el universo se está expandiendo con la cosmología estándar en la que hay un Big Bang, se usa una función matemática que depende solo del tiempo cosmológico”, dijo Neves, quién elaboró la idea con el profesor Alberto Vázquez.

Con el “factor de escala”, el Big Bang mismo, una singularidad cosmológica, deja de ser una condición necesaria para que el cosmos comience la expansión universal. Un concepto de las matemáticas que expresa indefinición, el término “singularidad”, fue utilizado por los cosmólogos para caracterizar el estado cosmológico primordial que existía hace 13,800 millones de años, cuando toda la materia y la energía estaba comprimida en un estado de densidad y temperatura infinitas, donde las leyes tradicionales de la física ya no se aplican.

La teoría del Big Bang tiene sus orígenes a finales de la década de 1920 cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que casi todas las galaxias se alejan unas de otras a velocidades cada vez más rápidas.

Desde la década de 1940 en adelante, los científicos guiados por la teoría general de la Relatividad de Einstein construyeron un modelo detallado de la evolución del universo desde el Big Bang. El modelo podría conducir a tres resultados posibles: la expansion infinita del universo a velocidades cada vez más altas; el estancamiento de la expansión de forma permanente; o un proceso invertido de retracción causado por la atracción gravitatoria ejercida por la masa del universo, conocida como Big Crunch.

“Eliminar la singularidad o el Big Bang trae de vuelta el universo que rebota en la etapa teórica de la cosmología. La ausencia de una singularidad al comienzo del espacio-tiempo abre la posibilidad de que los vestigios de una fase de contracción anterior puedan haber resistido el cambio de fase y aún así estar con nosotros en la expansión en curso del universo”, afirma Neves.

Neves conceptualiza que la “cosmología del rebote” tiene su origen en la hipótesis de que el Big Crunch cedería el paso de una sucesión eterna de universos, creando condiciones extremas de densidad y temperatura para instigar una nueva inversión en el proceso, dando paso a la expansión en otro rebote.

 

Vestigios de contracción.

Los agujero negros son el punto de partida de las investigaciones de Neves sobre un hipotético “universo de rebote”.

“¿Quién realmente sabe? puede haber restos de agujeros negros en la expansión en curso que datan de la fase de contracción anterior y pasaron intactos a través del cuello de botella producido por el rebote”, dice.

Consistente en el núcleo implosionado que queda después de la explosión de una estrella gigante, los agujeros negros son una especie de objeto cósmico cuyo núcleo se contrajo para formar una singularidad en el espacio-tiempo, un punto con densidad infinita y la fuente de atracción gravitatoria más fuerte jamás vista. Nada se puede escapar de esta atracción, ni siquiera la luz.

De acuerdo con Neves, un agujero negro no es definido por una singularidad, sino más bien por un horizonte de sucesos: una membrana que indica el punto de no retorno del que nada escapa al inexorable destino de ser devorado y destruido por la singularidad,
“Fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro regular, no hay cambios importantes, pero dentro de él, los cambios son profundos. Hay un espacio-tiempo diferente que evita la formación de una singularidad”, afirma el investigador.

El factor de escala formulado por Neves y Saa estuvo inspirado por el físico de los Estados Unidos James Bardeen. En 1968, Bardeen utilizó un truco matemático para modificar la solución a las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad, la cual describe los agujeros negros.

El truco consistía en pensar en la masa del agujero negro no como una constante, como había sido el caso anterior, sino como una función que depende de la distancia al centro del agujero negro. Con este cambio, un agujero negro diferente, denominado agujero negro regular, emergió a la solución de las ecuaciones. “Se permiten los agujeros negros regulares, ya que no violan la Relatividad General. El concepto no es nuevo y ha sido revisado con frecuencia en las últimas décadas”, dice Neves.

Dado que la inserción de un truco matemático en las ecuaciones de la Relatividad General podría evitar la formación de singularidades en los agujeros negros regulares, Neves consideró crear un artificio similar para eliminar la singularidad en un rebote regular.

En la ciencia moderna, una teoría no tiene valor si no se puede verificar, por bella e inspiradora que sea. ¿Cómo se prueba la hipótesis de un Big Bang que no comenzó con una singularidad? Buscando rastros de los eventos en una fase de contracción que pueden haber permanecido un la fase de expansión en curso. Los candidatos incluyen remanentes de agujeros negros de una fase previa de contracción universal que puede haber sobrevivido al rebote.

 

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Traducido y editado por Julio García

Referencia: https://phys.org/news/2017-11-physicist-explores-possibility-vestiges-universe.html

 

 

 

 

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Los agujeros de gusano de la película Interestelar

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por Julio García. Uno de los planteamientos que más asombro ha causado en aquellos que hemos visto la película Interestelar, dirigida por Christopher Nolan y que se estreno en México apenas este mes de noviembre, es el hecho de que el tiempo se hace más lento cuando nos acercamos a objetos cuya fuerza de gravedad es tan poderosa, que es capaz de impedir que la luz pueda escapar de ellos.

La primera pregunta que nos haremos es: ¿por qué la luz no puedo escapar de las fauces de un agujero negro y sí de un cuerpo tan diminuto  como la Tierra? La respuesta es que la luz puede escapar de la Tierra porque su campo gravitatorio es muchísimo menos intenso que el campo de gravedad que ejerce un agujero negro. Por ejemplo, para que una nave pueda escapar del campo de gravedad de la Tierra se requiere que viaje a unos 11 km/s mientras que si quisiera escapar de un hoyo negro tendría que viajar a 300,000 km/s: exactamente la velocidad de la luz.

Otro de los planteamientos de Albert Einstein es que la la gravedad deforma el espacio tiempo en el que se encuentra, por lo tanto, el espacio estará mucho más deformado en el lugar que ocupa un agujero negro que en el que esté ocupado por un cuerpo como Júpiter o la propia Tierra que tiene proporciones de tamaño mucho menores.

Esta deformación, este cambio de estructura en el tejido del espacio tiempo,que podría ser imaginado como una gran campa elástica, es lo que provoca que la luz también se deforme cuando pasa cerca de un objeto tan masivo como un agujero negro.

Tal vez lo más interesante de todo es que no únicamente la luz se deforma, sino también el propio tiempo. En este sentido, nuestro universo está formado por cuatro dimensiones: tres de espacio (ancho, altura y profundidad) y una dimensión más que es el tiempo. El tiempo es visto, así, como una unidad más, como un elemento que se puede alterar en función del lugar en donde nos encontremos. De hecho esta noción del tiempo como elemento que se deforma puede ser comprobado empíricamente con el hecho de que un reloj que funcione en la Tierra irá más lento que uno que esté fuera de la atmósfera. Gracias a este planteamiento se ha podido comprobar que los sistemas de posicionamiento global (GPS) que se encuentran en el espacio están desincronizados con respecto a los mismos sistemas que se encuentran en la superficie de la Tierra. La desincronización, afortunadamente, es de apenas unas milésimas de segundo.

En este sentido, la idea básica de la Relatividad es, pues, decirnos que una persona que se encuentre cerca de un agujero negro –como lo hacen los científicos de la película que son llevados a través de un agujero de gusano a otra galaxia en busca de un planeta parecido a la Tierra para tratar de salvar a la especie humana de su propia extinción- envejecerá de forma mucho más lenta que una persona que se encuentre en la superficie de la Tierra. El hecho de envejecer más lentamente es producto de que el tiempo en nuestro planeta corre más rápido que cerca de la superficie de un agujero negro, de tal suerte que un minuto para una persona que esté cerca de un agujero negro representarán unos diez años para una persona que esté viviendo en la superficie de nuestro planeta.

Otro de los asuntos que se abordan en la película, utilizando efectos especiales verdaderamente maravillosos, es la posibilidad de viajar por el espacio interestelar a través de los agujeros de gusano, también conocidos como puentes Einstein-Rosen. Estos puentes surgen como consecuencia del establecimiento de la propia teoría de la Relatividad y mediante ellos se define que la materia, una nave espacial, por ejemplo, puede viajar de un punto a otro del universo a través de un camino muy corto. De hecho, los expedicionarios de la cinta viajan a través de Gargantúa (nombre ficticio del agujero de gusano por el que entran) para llegar a otra galaxia que se encuentra a varios miles de años luz, pero a la que logran llegar en tan solo unos cuantos minutos. El hecho de que una nave espacial o un objeto masivo viaje a través de un agujero de gusano es tan solo ficción, porque en la realidad dicho objeto se desintegraría tan solo al momento de traspasar el horizonte de sucesos del agujero. Al horizonte de sucesos podríamos representarlo como una membrana que divide al espacio exterior de lo que sucede dentro de un agujero negro. Todo lo que cae en este espacio es literalmente triturado y descompuesto. Pero algunos teóricos como Stephen Hawking han llegado a afirmar que los agujeros negros no son tan negros y que de ellos puede escapar algún tipo de radiación desconocida. Esta teoría del físico inglés no está aún comprobada.

Agujero de Gusano que une dos regiones del espacio-tiempo.

Lo que sí establece la teoría real es que los agujeros negros son producto de las explosiones de las estrellas. Por ejemplo, si una supergigante roja explota y envía al exterior gran cantidad de material, es muy probable que se convierta en una estrella de neutrones. Y si se comprime más puede llegar a convertirse en un agujero negro en el que, como hemos dicho, ni la luz ni cualquier forma de radiación puede escapar. Creemos que un agujero de gusano se podría formar cuando dos agujeros negros se unen a través de estos puentes Einstein-Rosen y que podrían unirse a través de una quinta dimensión que podría ser completamente desconocida para nosotros. En esta quinta dimensión el tiempo sería visto como una unidad, esto quiere decir que no habría una sucesión de hechos como sucede en la realidad, sino que el tiempo sería uno solo en donde los eventos sucederían todos al mismo tiempo.

¿Es esta quinta dimensión pura especulación? Evidentemente sí ya que hasta ahora nadie sabe que sucede dentro de un agujero negro y, mucho menos, en los hipotéticos puentes Einstein-Rosen que son pura ciencia ficción.

¿Por qué las partículas no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo?

Quantum-Gravity

por Julio García.

Existe un principio de exclusión en la mecánica cuántica que afirma que es imposible que dos electrones en un átomo puedan tener la misma energía, el mismo lugar, e idénticos números cuánticos. En otras palabras, es imposible que existen dos cosas en un mismo lugar. Gracias a este principio, los objetos existen tal y como son.

¿Pero quién fue la persona encargada de dar a conocer por primera vez este principio?

El físico encargado de hacerlo se llama Wolfgang Ernst Pauli, quien nació en Viena el 25 de abril de 1900. En 1918 se licenció en física y en 1921 logró su doctorado, también en física, a partir de un artículo sobre la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.

Pauli, Wolfgang (1900-1958)
El físico Wolfgang Pauli.

Para comprender mejor el principio de exclusión debemos decir que en la realidad, al menos aquella que podemos observar, existen dos tipos de partículas: los fermiones y los bosones. Los primeros se caracterizan por tener espín semientero (1/2, 2/3… etc.). Cuando nos referimos a la palabra spín estamos hablando del giro que tienen todas las partículas (imaginemos a una bailarina que gira sobre su propio eje pero a diferentes velocidades). Los fermiones están divididos a su vez en quarks y leptones: los quarks son las partículas que forman el núcleo de los átomos y los leptones a los electrones que giran en del núcelo atómico.  Hay que decir que toda la materia con la que interactuamos (desde los elementos químicos más básicos, hasta las galaxias más grandes) están formadas por quarks y leptones

Por el contrario, los bosones tienen un espín entero (0,1,2…etc.) y no cumplen con  el principio de exclusión de Paoli (los bosones pueden estar en dos lugares a la vez al mismo tiempo, al contrario de lo que sucede con los fermiones, como ya hemos señalado).

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El físico Peter Higgs recibiendo el Premio Nobel de Física.

En este sentido, la ciencia está llena de teorías que muchas veces tienen que ser desechadas cuando se les contrasta con la realidad. Pero en el caso del bosón de Higgs esto no sucedió. Su existencia ha sido demostrada gracias al Acelerador de Partículas que se encuentra en el CERN de Ginebra, Suiza. El esperado anuncio se hizo el 4 de Julio de 2012 y para 8 de octubre de 2013 Peter Higgs, junto con François Englert, recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

En resumen, el campo de Higgs debe ser considero como un campo que llena todo el vacío. La presencia de masa es el resultado de la interacción de las partículas elementales con este campo vacío. En este sentido el campo de Higgs podría ser tan importante como la curvatura del espacio-tiempo que es la que al fin y al cabo produce la gravedad. Recordemos que Albert Einstein propuso en 1915 que entre más masivo es un cuerpo, mayor es la curvatura que produce en el espacio-tiempo el cual puede ser imaginado como una gran cama elástica que se deforma por la presencia de la masa que producen los cuerpos masivos tal es como las estrellas, los planetas y las galaxias.

Científicos dan un nuevo paso en la comprensión del Big Bang

Künstlerische Impression des Quantenraums der Schleifen-Quantengravitation

Actualmente los físicos son incapaces de saber qué sucedió con exactitud durante la Gran Explosión o Big Bang. Tanto la teoría cuántica como la Teoría de la Relatividad fallan a la hora de describir lo que sucedía en aquella densa y caliente sopa de partículas que estaba presente en los primeros minutos en que se formó el universo. Solamente una teoría de la gravedad cuántica que unificara estas dos pilares fundamentales de la física podría proveer de respuestas a preguntas tan importantes respecto a cómo se formó el cosmos.

En este sentido, científicos del Instituto de Física Gravitacional del Instituto Max Planck han hecho un importante descubrimiento hacia esta ruta. De acuerdo con su teoría, el espacio consiste en pequeños bloques. Y tomando como punto de partida a estos pequeños bloques, han podido llegar hasta las ecuaciones de Friedmann, las cuales ayudan a describir el universo y muestran que tanto la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad realmente pueden ser unificadas.

Por casi un siglo las dos mayores teorías de la física han coexistido pero siempre han estado peleadas: mientras que la Teoría General de la Relatividad de Einstein describe la gravedad y todo lo que sucede en el mundo macroscópico, la física cuántica describe el mundo de los átomos y de las partículas elementales. Ambas teorías funcionan muy bien en sus propios límites, sin embargo se derrumban en ciertas regiones extremas y en distancias específicas como en la llamada escala de Planck. En este tenor podemos decir que el espacio y el tiempo no tiene ningún significado, deja de funcionar, en los agujeros negros o durante la Gran Explosión.

Daniele Oriti del Instituto Albert Einstein utiliza un fluido para ilustrar esta situación: “Nosotros podemos describir el comportamiento del agua corriendo a través de la ya conocida y clásica teoría hidrodinámica. Pero si nos vamos a escalas cada ves más pequeñas y llegamos a átomos individuales, esta teoría deja de funcionar y es entonces cuando necesitamos de la física cuántica”.

Así como los líquidos están compuestos de átomos, Oriti se imagina el espacio como algo hecho por delgadas células o “átomos de espacio”, por lo que una nueva teoría es necesaria para describirlos: en este caso una teoría cuántica de la gravedad.

En la teoría de la relatividad de Einstein el espacio es un continuo pero Oriti rompe con esta postura y presenta la idea de células elementales y delgadas que funcionan al mismo tiempo tanto con la mecánica cuántica como con la teoría de la relatividad y de esta forma unifica ambas teorías.

Pero el problema fundamental de todas las aproximaciones a la gravedad cuántica consiste en conjuntar y conciliar las inmensas escalas que existen entre los átomos y las dimensiones del universo y en esto es en lo que está trabajando Oriti y su equipo.

La tarea que tienen ahora es describir cómo evolucionó el espacio en el universo partiendo de estas células elementales.

Y otro punto importante a destacar es que su teoría solamente es aplicable al universo homogéneo y el mundo real es mucho más complejo ya que está lleno de inhomogeneidades como los planetas, las estrellas y las galaxias. Pero el grupo de Oriti ya está trabajando para incluir en su teoría dicha falta de homogeneidad.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia:  Phys.org

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El resplandor del Big Bang revela el tiempo de vida de los fotones

bigbangDe la noción de que la luz, que viaja a 300,000 km/s, es el límite cósmico de velocidad, se desprende el supuesto de que las partículas de la luz, llamadas fotones, no tienen masa. Pero observaciones astronómicas no pueden descartar el hecho de que exista una remota posibilidad de que los fotones sí tengan algo de masa.

Por ejemplo, si los fotones no pesan nada, serían completamente estables y durarían para siempre. Pero si tuvieran algo de masa, podrían decaer en partículas menos pesadas. Pero ahora, estudiando luz antigua que fue irradiada poco después del Big Bang, los físicos han podido calcular el tiempo mínimo de vida de los fotones y han mostrado que pueden vivir por billones de billones de años o para siempre.

Ese periodo de vida puede ser una eternidad, pero para un fotón viajando a la velocidad de la luz, ese tiempo pasaría en un abrir y cerrar de ojos. Esto se debe al efecto de dilatación del tiempo que fue predicho por Albert Einstein en la Teoría de la Relatividad, donde millones y millones de años para un terrícola representarían para un fotón tan solo tres años debido a que estas partículas viajan a la velocidad de la luz.

Si los científicos descubrieran algún día que los fotones tienen algo de masa, y por consiguiente un periodo de vida limitado, “la noción de velocidad de la luz obviamente ya no tendría ningún sentido”, afirma Julian Heeck, un estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Alemania. Seguiría habiendo un límite absoluto de velocidad, pero los fotones obviarían esa regla y entonces viajarían a una velocidad menor a la de la luz. La velocidad de los fotones dependería entonces de su longitud de onda y la luz azul viajaría más rápido que la luz roja. Por consiguiente, fotones liberados simultáneamente de estrellas distantes llegarían a la Tierra en diferentes tiempos, dependiendo de su longitud de onda.

Si un un fotón contuviera masa entonces también se necesitarían modificar algunos aspectos del Modelo Estándar de la Física. La ecuación de Maxwell que describe las ondas y campos electromagnéticos (los fotones son las partículas encargadas de transmitir las fuerzas electromagnéticas) y las leyes que describen las interacciones entre partículas cargadas. Debido a este último efecto, observaciones de los campos magnéticos del Sol han demostrado recientemente que los fotones, si es que pesan algo, ese algo debe ser muy ligero. El límite experimental actual sobre la masa de los fotones es de 10 a la -54 kilogramos.

Para encontrar el límite de vida de un fotón, Heeck analizó observaciones de la radiación de fondo de microondas, que es la luz que empapa a todo el universo y que tuvo su origen pocos miles de años después de la Gran Explosión y que ha sido medida desde 1989 por el Satélite COBE, siglas de Cosmic Background Explorer. Esta luz tiene un patrón específico llamado radiación del cuerpo negro, que les indica a los científicos qué tan intensa debe ser la luz (todo esto basado en su longitud de onda). Si un fotón decayera en una partícula menos masiva mientras se mueve a través del universo, de cualquier manera COBE observaría menos energía (luz más roja) que la predicha por la ley de la radiación del cuerpo negro, esto se debe a que la luz roja decaería mucho más rápido que la luz azul que, como ya mencionábamos, tiene más energía. “Los fotones que vienen de muy lejos, desde el comienzo del universo, han tenido suficiente tiempo para decaer cuando llegan a nosotros”, afirma Emanuel Berti de la Universidad de Mississippi.

Pero de acuerdo con las mediciones de COBE, la radiación de fondo de microondas parece comportarse como un perfecto cuerpo negro, esto quiere decir que ningún tipo de luz de baja energía parece perderse, lo que indica que muy pocos fotones, si no es que ninguno, ha decaído desde la Gran Explosión hace 13,700 millones de años. Este análisis le permite a Keeck calcular que la duración mínima de un fotón es de 10 a la 18 potencia o lo que significa billones y billones de años.

Sin embargo, a pesar de que el modelo que afirma que el fotón no tiene masa parece ser correcto, la perspectiva de un modelo con masa plantea intrigantes posibilidades. Por ejemplo, si los fotones decayeran en partículas menos pesadas, ¿qué tipo de partículas serían? Esta es sin duda la cuestión fundamental. Una posibilidad es que estos fotones se conviertan en neutrinos que vienen en diferentes variedades o sabores.

La investigación de Heeck ha sido publicada el pasado 11 de Julio en la revista Physical Review Letters y representa el primer cálculo del tiempo mínimo de vida de un fotón.

Algo que también es interesante de mencionar es lo que pudo haber sucedido después de que la radiación de fondo de microondas se formara. Y es que aquellos primeros fotones probablemente fueron absorbidos por la materia interestelar para luego ser reemitidos cambiando así sus propiedades.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Scientific American

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