El Comienzo del Universo con la Teoría de las Cuerdas

  1. Educación
  2. Ciencia
  3. Física
  4. El Comienzo del Universo con la Teoría de las Cuerdas

Libro Relacionado

Teoría de cuerdas para tontos

Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

La teoría del Big Bang no ofrece ninguna explicación de lo que inició la expansión original del universo. Esta es una pregunta teórica importante para los cosmólogos, y muchos están aplicando los conceptos de la teoría de cuerdas en sus intentos por responderla. Una conjetura controvertida es un modelo de universo cíclico llamado la teoría de universo ekpyrotic, que sugiere que nuestro propio universo es el resultado de la colisión de las branas entre sí.

El golpeteo de las cuerdas

Mucho antes de la introducción de los escenarios mundiales de la teoría M o brana, existía una conjetura de la teoría de cuerdas de por qué el universo tenía el número de dimensiones que vemos: Un espacio compacto de nueve dimensiones espaciales simétricas comenzó a expandirse en tres de esas dimensiones. Bajo este análisis, un universo con tres dimensiones espaciales (como el nuestro) es la geometría espacio-temporal más probable.

En esta idea, planteada inicialmente en la década de 1980 por Robert Brandenberger y Cumrun Vafa, el universo comenzó como una cuerda bien enrollada con todas las dimensiones confinadas simétricamente a la longitud de Planck. Las cuerdas, en efecto, limitan las dimensiones hasta ese tamaño.

Brandenberger y Vafa argumentaron que en tres o menos dimensiones, sería probable que las cuerdas chocaran con las antisecuencias. (Un antisecuencia es esencialmente una cuerda que se enrolla en una dirección opuesta a la cuerda.) La colisión aniquila la cuerda que, a su vez, libera las dimensiones que estaba confinando. Comienzan así a expandirse, como en las teorías inflacionarias y del big bang.

En lugar de pensar en cuerdas y anticuerdas, imagina una habitación que tenga un montón de cables pegados a puntos al azar en las paredes. Imagínese que la habitación quiere expandirse con las paredes y el suelo y el techo tratando de alejarse uno del otro – pero no pueden debido a los cables. Ahora imagina que los cables pueden moverse, y cada vez que se cruzan, pueden recombinarse. Imagínese dos cables tensos que se extienden desde el suelo hasta el techo y que se cruzan para formar una X alta y delgada. Pueden recombinarse y convertirse en dos cables sueltos, uno unido al suelo y otro al techo. Si estos fueran los únicos dos cables que se extienden de piso a techo, entonces después de esta interacción, el piso y el techo son libres de moverse uno del otro.

En el escenario de Brandenberger y Vafa, esta dimensión (de arriba hacia abajo), así como otras dos, pueden crecer libremente. El paso final es que en cuatro o más dimensiones espaciales, las cuerdas en movimiento normalmente nunca se encontrarán. (Piensa en cómo los puntos que se mueven en dos dimensiones espaciales probablemente nunca se encontrarán, y la lógica se extiende a las dimensiones superiores.) Por lo tanto, este mecanismo sólo funciona para liberar tres dimensiones espaciales de sus cables.

En otras palabras, la geometría misma de la teoría de cuerdas implica que este escenario nos llevaría a ver menos de cuatro dimensiones espaciales – dimensiones de cuatro o más es menos probable que pasen por las colisiones de cuerdas/anticuerdas requeridas para “liberarlas” de la configuración estrechamente ligada. Las dimensiones más altas siguen estando atadas por las cuerdas a la longitud de Planck y, por lo tanto, no se ven.

Con la inclusión de las branas, este cuadro se vuelve más elaborado y difícil de interpretar. La investigación sobre este enfoque en los últimos años no ha sido tranquilizadora. Muchos problemas surgen cuando los científicos intentan integrar esta idea de forma más rigurosa en las matemáticas de la teoría de cuerdas. Aún así, esta es una de las pocas explicaciones de por qué hay cuatro dimensiones que tienen sentido, así que los teóricos de las cuerdas no la han abandonado por completo como una posible razón para el big bang.

El universo ekpyrotic

En el escenario del universo ekpyrotic, nuestro universo se crea a partir de la colisión de ramas. La materia y la radiación de nuestro universo provienen de la energía cinética creada por la colisión de estas dos ramas.

La teoría se basa en las ideas de que algunos escenarios mundiales de la teoría de cuerdas de la rama M muestran que las dimensiones adicionales de la teoría de cuerdas pueden ser extendidas, tal vez incluso infinitas en tamaño. También es probable que no se estén expandiendo (o al menos los teóricos de las cuerdas no tienen razón para pensar que lo son) de la manera en que lo son nuestras tres dimensiones espaciales. Cuando se reproduce el vídeo del universo hacia atrás en el tiempo, estas dimensiones no se contraen.

Ahora imagina que dentro de estas dimensiones tienes dos infinitas 3-branas. Algún mecanismo (como la gravedad) une a las branas a través de las infinitas dimensiones extras, y chocan entre sí. Se genera energía, creando la materia para nuestro universo y separando las dos ramas. Eventualmente, la energía de la colisión se disipa y las branas se juntan de nuevo para colisionar una vez más.

El modelo ekpyrotic se divide en varias épocas (períodos de tiempo), basadas en las influencias dominantes:

  • El big bang
  • La época dominada por la radiación
  • La época dominada por la materia
  • La época oscura dominada por la energía
  • La época de la contracción
  • La gran crisis

La historia hasta la época de la contracción es esencialmente idéntica a la hecha por la cosmología regular del big bang. La radiación que es generada por la colisión de brana (el big bang) significa que la época dominada por la radiación es bastante uniforme (excepto para las fluctuaciones cuánticas), por lo que la inflación puede ser innecesaria. Después de unos 75.000 años, el universo se convierte en una sopa de partículas durante la época dominada por la materia. Hoy y por muchos años, estamos en la época dominada por la energía oscura, hasta que la energía oscura decae y el universo comienza a contraerse una vez más.

Debido a que la teoría implica la colisión de dos ramas, algunos la llamaron la teoría del “gran chapoteo” o la teoría del “golpe de la rama”, la cual es ciertamente más fácil de pronunciar que la de la ekpyrotic. La palabra “ekpyrotic” viene de la palabra griega “ekpyrosis”, que era una antigua creencia griega de que el mundo nació del fuego.

Algunos piensan que el modelo de universo ekpyrotic tiene mucho a su favor – resuelve los problemas de planitud y horizonte como lo hace la teoría inflacionaria, al mismo tiempo que proporciona una explicación de por qué el universo comenzó en primer lugar – pero los creadores todavía están lejos de probarlo. Stephen Hawking ha apostado a Neil Turok a que los hallazgos del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea verificarán el modelo inflacionario y descartarán el modelo ekpyrotic, pero se sabe que Hawking ha tenido que pagar por este tipo de apuestas en el pasado.