Stephen Hawking (casi) último documento: poner fin al principio del universo

cuando Stephen Hawking murió el 14 de marzo, el famoso físico teórico todavía tenía algunos trabajos en marcha. Hoy, el Journal of High Energy Physics publicó su último trabajo en cosmología – la ciencia de cómo el universo surgió y evolucionó. (Todavía se están preparando otros documentos sobre los agujeros negros., En el nuevo artículo, Hawking y Thomas Hertog, un físico teórico de la Universidad Católica de Lovaina (Ku) en Bélgica, intentan poner un alfiler en un concepto extraño llamado inflación eterna, que implica—inevitablemente, según algunos físicos—que nuestro universo es solo uno de los infinitos en un multiverso. Tomando prestado un concepto de la teoría de cuerdas, Hawking y Hertog argumentan que no hay inflación eterna y solo un universo. Pero a lo que se dirigen es a algo aún más básico: afirman que nuestro universo nunca tuvo un momento singular de creación.,

¿Cómo funciona el argumento? Siga su hilo sinuoso hasta el final del principio.

empecemos con lo básico: ¿qué es la inflación cósmica?

La inflación cósmica es un crecimiento monumental que supuestamente estiró el universo infantil durante la primera fracción más pequeña de un segundo. Soñada en 1979 por el teórico estadounidense Alan Guth, la inflación sostiene que justo después del big bang, el espacio se estiró exponencialmente, duplicando el tamaño del universo una y otra vez al menos 60 veces antes de desacelerarse dramáticamente.

¿por Qué los cosmólogos creen en algo tan extraño?,

La inflación resuelve un gran rompecabezas: ¿por qué el universo es tan uniforme? Por ejemplo, el espacio está lleno de radiación que persiste desde el big bang, el fondo cósmico de microondas (CMB). Tiene casi exactamente la misma temperatura en todo el cielo. Eso es extraño, ya que los puntos ampliamente separados parecen a primera vista estar demasiado separados para que cualquier influencia alcance de uno a otro durante los 13.8 mil millones de años que el universo ha estado alrededor. La inflación resuelve ese rompecabezas al implicar que todos los puntos en el cielo comenzaron lo suficientemente cerca como para interactuar, y luego se extendieron muy separados.,

¿es todo lo que hace la inflación?

irónicamente, la inflación también hace un gran trabajo al explicar por qué el universo no es completamente uniforme. Obviamente, el espacio está repleto de galaxias. Según la teoría, la inflación estiró las fluctuaciones cuánticas infinitesimales en esos primeros momentos al tamaño extragaláctico. Las fluctuaciones produjeron variaciones en la densa sopa de partículas fundamentales que sembraron la formación de las galaxias. La inflación predice un espectro particular de fluctuaciones más largas y más cortas. Sorprendentemente, los estudios del CMB y las galaxias confirman esa distribución.,

entonces, ¿qué es la inflación eterna?

Aquí es donde el concepto de inflación se encuentra con problemas propios. A los físicos les disgusta profundamente la idea de que la inflación se detendría repentinamente, sin ninguna razón en particular., Preferirían tener un mecanismo que explique lo que impulsó la inflación y luego hizo que se detuviera. Es por eso que asumen que algún tipo de campo cuántico lo impulsó, antes de agotarse. La idea es que el campo comienza en un solo estado de «falso vacío» aproximadamente estable y de mayor energía en el que el espacio se extiende exponencialmente. Luego se relaja a su verdadero estado de energía más baja, en el que el espacio se expande mucho más lentamente.

El escenario funciona un poco demasiado bien, sin embargo., El vacío falso en expansión exponencial produce más y más de sí mismo, por lo que hay cada vez más espacio en expansión a un ritmo increíblemente rápido. Nuestro universo es un parche que ha sufrido la transición al estado de vacío verdadero de baja energía. Pero tales transiciones deberían ocurrir al azar, por lo que debería haber muchos otros universos, también. De hecho, el proceso debería producir una cantidad cada vez mayor de espacio que está creciendo a un ritmo exponencial, salpicada de un número infinito de «universos de bolsillo» que crecen más lentamente.

¿es eso un problema?

depende de a quién le pregunte., En el nivel más básico, la existencia de todos estos otros universos no afectaría a nuestro universo. Están demasiado lejos para tener alguna conexión con la nuestra. Por otro lado, la noción de inflación eterna y un multiverso puede frustrar toda la empresa de los cosmólogos de explicar por qué el universo es como es, Dice Hertog. Cosas como los valores de ciertas constantes físicas clave podrían variar al azar entre los universos de bolsillo, dice, lo que haría discutible cualquier esfuerzo para explicar por qué tienen los valores que tienen en nuestro universo., Se establecerían por casualidad, dice Hertog, y eso no es muy satisfactorio.

entonces, ¿cómo resuelve el problema el papel de Hawking y Hertog?

Hawking y Hertog argumentan que, de hecho, la inflación eterna no ocurre. Para hacer eso, toman prestado un concepto de la teoría de cuerdas que les permite equiparar dos tipos diferentes de teorías con diferentes dimensionalidades. En 1997, el teórico Argentino-americano Juan Maldacena consideró un volumen de espacio en el que la gravedad estaba en acción., Maldacena, que ahora está en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, demostró entonces que la teoría era equivalente a una teoría cuántica más fácil de trabajar en el límite del espacio que no incluía la gravedad. Es como decir que lo que pasa dentro de una lata de refresco puede ser capturado por una teoría que describe solo lo que está sucediendo en la superficie de la lata.

La inflación Eterna surge porque, en el universo muy temprano, las fluctuaciones cuánticas en el campo que impulsa la inflación son tan grandes como el valor promedio del campo., Pero Hawking y Hertog argumentan que bajo esas condiciones uno no puede simplemente continuar con la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, sino que debe usar una maniobra como la de Maldacena para ver toda la situación en un espacio con una dimensión menos. En ese espacio alternativo, las cosas son más manejables, afirman, y la física no conduce a la inflación eterna. En cambio, se fusiona un universo único y bien educado.

entonces, ¿qué tiene esto que ver con el comienzo del universo?

ahí es donde las cosas se ponen interesantes y complicadas., El concepto de equiparar una teoría con otra en un espacio con una dimensión menos es conocido por los físicos teóricos como holografía. En su trabajo, Maldacena equiparó una teoría a otra en un espacio con una dimensión espacial menos. Pero, argumenta Hertog, el principio de la holografía permite a los teóricos deshacerse de la dimensión del tiempo, en su lugar. Así que en la teoría de Hawking y Hertog, a través del principio de la holografía, el universo muy temprano debería ser descrito por una teoría con solo tres dimensiones espaciales y sin tiempo.

pero ¿por qué querrías deshacerte del tiempo?,

desde que quedó claro que el universo tuvo un comienzo, el momento de su nacimiento ha sido un dolor de cabeza para los teóricos. En términos generales, la teoría general de la relatividad de Einstein hace un buen trabajo al explicar las cosas después del momento del big bang, pero no puede manejar el instante de la creación en sí. Ese momento forma una «singularidad» en el espacio—tiempo—como una función matemática que explota hasta el infinito-que hace tropezar la teoría. Así que los teóricos han buscado durante mucho tiempo una forma de evitar esa singularidad, y perder tiempo sería una forma de hacerlo.,

Es un problema que fascinó a Hawking toda su carrera, dice Hertog. Hace décadas, sugirió una solución alternativa especulando que en el principio, el tiempo era, groseramente hablando, dimensional, una idea que no encaja con el nuevo trabajo.

entonces, ¿es este el fin de la inflación eterna y la singularidad del big bang?

Probablemente no. Otros analizarán la invocación de Hawking y Hertog de la relación que cambia la dimensión. E incluso si otros investigadores encuentran que es sólido, todavía hay una pregunta importante que debe responderse, reconoce Hertog., Si los teóricos comienzan con una teoría con solo dimensiones espaciales, ¿cómo emerge finalmente el tiempo de ella? «Lanzamos un nuevo paradigma», dice Hertog, » pero hay mucho trabajo por hacer.»

*corrección, 3 de Mayo, 10 A. M. : esta historia ha sido actualizada para corregir el nombre del Instituto de Estudios Avanzados.