Avanzado Hawking y Big bang espontáneo

[carroza]

Hola.

Como todos, he seguido en la prensa el tema de la afirmación de Hawking sobre la no necesidad de creación. Entiendo que el argumento es que, partiendo de las ecuaciones de la gravitación, aparece necesariamente el big bang.

Aparte de metafísica y teología, querria saber si alguien del foro sabe cuál es el nuevo descubrimiento (si lo hay) de Hawking.

Se evita la discontinuidad inicial del Big bang?

Se demuestra que, de las soluciones posibles de las ecuaciones de la gravitación, solo la del big bang es válida?

Gracias

[pod]

Re: Hawking y Big bang espontáneo

Bueno, pues yo no he seguido lo que dice Stephen en la prensa (sí, ando algo aislado del mundo últimamente).

Los últimos descubrimientos de Hawking, por lo menos publicado, son estos: http://arxiv.org/abs/1001.0262

Parece que el trabajo se basa en la inflación eterna, en que el universo no tendría inicio (de ahí el nombre, claro). A lo mejor se refiere a esto, no habría un "inicio" del universo; pero aquí estoy especulando sobre la información que tu has dado. En cualquier caso, la inflación eterna no es una invención de Hawking, sino de Leonard Susskind, por allí el 2003 o el 2004 (lo recuerdo porque mi jefe y yo evaluamos el artículo cuando salió pensando en hacer algo sobre el tema, y lo descartamos pensando que no tenía futuro; ya ves que ojo tuvimos ).

El teorema del big bang, debido al propio Stephen (pero no recientemente, hace bastante tiempo ya) dice que los principios de la relatividad general implican necesariamente una singularidad en el pasado. Es un teorema matemático y no puede saltarse de ninguna forma. Ahora bien, Físicamente una singularidad no tiene sentido, significa que la teoría que estamos usando deja de ser válida. Es decir, si nos acercamos al a singularidad debemos dejar de usar la relatividad general, y tenemos que pasar a una teoría más completa. En esa teoría más completa no habrá singularidad, sino una situación plenamente tratable sin infinitos ni nada.

Pero, ¿qué teoría es mas completa que la RG? Pues, por desgracia, no lo tenemos. Por eso, por el momento sólo podemos hacer hipótesis. E inflación eterna es eso, una hipótesis. Si se usa esta hipótesis, la singularidad inicial se convierte en un cambio de fase del universo, la creación de una burbuja de vacío que se expande a la velocidad de la luz. Se supone esta hipótesis que está más o menos relacionada con las cuerdas, pero no es un matrimonio muy estrecho (seguramente cuerdas podrían sobrevivir sin inflación eterna, e inflación eterna podría sobrevivir sin cuerdas).

[carroza]

Re: Hawking y Big bang espontáneo

Gracias.

Lo de la "inflación eterna", parece que, conceptualmente, sería análoga a la teoría del estado estacionario.

Un universo eterno aunque en expansión. ¿Tiene esto sentido?

[pod]

Re: Hawking y Big bang espontáneo

Pues filosóficamente no se si tiene sentido. Tampoco sé si tiene sentido un universo que empieza de golpe...

Pero científicamente sí tiene sentido. Todo esto surgió intentando solucionar lo que en teoría de cuerdas se conoce como el "problema del paisaje" (landscape problem). Si uno mira la teoría de cuerdas e intenta calcular el estado cuántico que corresponde al vacío (cero cuerdas), resulta que salen muchas soluciones diferentes. Y cuando digo muchas, quiero decir muchas, se suele citar la estimación de $10^{500}$. Y cada una de esas soluciones de vacío corresponde a un universo donde las constantes físicas son diferentes (por ejemplo, lo equivalente a la constante cosmológica). El problema reside en elegir cuál es la solución correcta para explicar nuestro universo, debe haber alguna forma de elegir uno y sólo uno de estos vacíos.

La idea de Susskin es que el universo podría estar en un estado cuántico de vacío con constante cosmológica positiva. Este tipo de universos siempre están en expansión, y no tienen principio. El problema es que sabemos que obviamente nuestro universo es así.

Lo que ocurre es que una solución con una constante cosmológica grande también tiene más energía. Si tenemos un estado cuántico de alta energía, sabemos que existe una probabilidad de que decaiga a otro estado de menor energía (igual que un muón decae a un electrón, por ejemplo). Así que esta solución decaerá a cualquier otra de las $10^{500}$ que tenga menor energía.

Pero un decaimiento así no puede suceder en todo el universo a la vez, por cuestiones de causalidad. Este tipo de decaimientos fueron estudiados hace muchos años por Coleman y De Lucia. Lo que ocurre es que se crea un "sub universo" más o menos pequeño, separado del otro por una especie de interfase (un "domain wall"), que crece a la velocidad de la luz (en realidad comienza parado y va "acelerando" sin nunca llegar a la velocidad de la luz, es uno de esos movimientos asintóticos típicos de la relatividad). Por similitud con los fluidos, este fenómeno se suele llamar "nucleación de burbujas de vacío".

De esta forma, la solución más estable se va propagando dentro de la grande. En condiciones normales, al final acabaría llenando todo el espacio tiempo. Pero como la fase inicial del universo está en inflación, resulta que el universo en inflación eterna crece más rápidamente que la burbuja, así que nunca llega a cubrirlo todo.

Al final, lo que pasará es que se crearán burbujas de este tipo en varias zonas. Fíjate que estas burbujas nunca pueden llegar a colisionar, porque el espacio entre ellos (que está en inflación) crece más rápido que las burbujas (que crecen a la velocidad de la luz).

Cada una de estas burbujas va a parar a una de las $10^{500}$ soluciones existentes. Pueden pasar tres cosas: que la solución del interior de la burbuja tenga constante cosmológica positiva (pero menor al a original). En este caso, seguirá en inflación y dentro de ella se crearán más burbujas (por eso se dice que el universo de inflación eterna tiene estructura fractal). Si tiene constante cosmológica negativa, la burbuja acabará colapsando en un big-krunch (aunque desde fuera, su frontera seguirá creciendo). Si la constante cosmológica es cero, entonces será una burbuja esencialmente plana y estable (con su frontera creciendo a velocidad constante).

Se supone que la historia de nuestra parte del universo es similar a lo que sigue: en el universo en inflación eterna se formó una burbuja con constante cosmológica positiva (pero más pequeña que la inicial). Y dentro de esa burbuja, otra. Y luego otra... hasta que finalmente se formó una burbuja donde la constante cosmológica era prácticamente nula (no es cero del todo, como ahora creemos saber de nuestro universo). Y dentro de esa burbuja ocurrieron todos los fenómenos de la teoría estándar del big bang caliente (fase inflacionaria, nucleosíntesis, instante de recombinación, formación de estrellas, formación de estructura, etc.).

[carroza]

Re: Hawking y Big bang espontáneo

Gracias por la expluicación.

Una pregunta, para ver si lo he captado:

El universo general, según Susskin, no tiene inicio y está en expansion.

No obstante, cada uno de los sub-universos que se crean como burbujas en el anterior, sí tienen un inicio (un big bang).

Es esto correcto?

[pod]

Re: Hawking y Big bang espontáneo

Gracias por la expluicación.

Una pregunta, para ver si lo he captado:

El universo general, según Susskin, no tiene inicio y está en expansion.

No obstante, cada uno de los sub-universos que se crean como burbujas en el anterior, sí tienen un inicio (un big bang).

Es esto correcto?

Sí, más o menos.

Para matizar un poco, es importante darse cuenta que, pese el nombre y la fama, el "big bang" no es una teoría sobre el origen del universo. Es una teoría sobre la evolución del universo a partir de que estaba lo suficientemente frío como para que la energía de las partículas fuera menor a la energía de Planck. Antes de ese instante, las leyes de la Física que tenemos ahora no son válidas, y por eso lo único que nos pueden ofrecer es una singularidad.

En ese sentido, lo que hace inflación eterna es explicar lo que pasa en el tiempo anterior al instante de Planck. A partir de la nucleación de la burbuja, la evolución en su interior es idéntica al modelo estándar del big bang caliente (que, repito, es una teoría de la evolución del universo). La diferencia es que ahora sí tenemos una (promesa de) teoría que funciona en ese entorno, y por lo tanto ya no nos tenemos que conformar con la singularidad, sino que sabemos que ese instante no es el inicio del tiempo, sólo un salto cuántico a un vacío un poco más estable.