El Inicio del Tiempo

En su alegoría de la cueva, el filósofo griego Platón describió a los prisioneros quienes pasaron un largo periodo de tiempo encadenados al muro de una obscura caverna. Detrás de los prisioneros estaba una llama, y entre los prisioneros y la llama estaban colocados algunos objetos que proyectaban sombras en el muro, dentro del campo de visión de los prisioneros. Estas sombras bidimensionales eran las únicas cosas que los prisioneros podían ver (En su propia realidad). Sus grilletes les limitaban la percepción del mundo real, un reino con una dimensión adicional al mundo que observaban, una dimensión rica en complejidad capaz de explicar todo lo que podían ver.Platón estaba sobre algo. ¿Podríamos nosotros vivir en una gigantesca y cósmica cueva creada al inicio de nuestra existencia? Normalmente escuchamos que el Universo se creó durante el Big Bang  el cual inició a partir de un punto infinitivamente denso (Tema que hemos abordado aquí, desde luego http://laenciclopediagalactica.info/tag/big-bang/). El día de hoy, quisiera platicarles sobre otra de las teorías actuales que se tienen sobre la formación del Universo. De acuerdo a algunos cálculos recientes, se estima que hemos alcanzado la capacidad de ‘rastrear’ la historia del Universo, hasta una era previa al Big Bang (Una era con una dimensión adicional en el espacio). Este protouniverso podría haber dejado trazas visibles que las posteriores observaciones astronómicas podrían dejar al descubierto.

El Universo nos parece que existe en tres dimensiones de espacio y una de tiempo (Geométricamente la denominados como Universo Tridimensional). En nuestro escenario (Es decir, el tema a tratar el día de hoy), este Universo tridimensional es meramente una sombra de un Universo tetradimensional. Específicamente, nuestro Universo entero se habría originado durante la implosión estelar de ese Suprauniverso, una implosión que creó nuestro Universo tridimensional, alrededor de un agujero negro tetradimensional.

Pero ¿Cómo es que se llegó a este postulado? A muchos les suena absurdo. Bueno, este concepto se sustenta en dos pilares. El primero es que estas ideas no son mera especulación, están soportadas firmemente en las matemáticas que describen el espacio y el tiempo.

En las dos últimas décadas los físicos han desarrollado la teoría de la holografía (¿Lo recuerdan? http://laenciclopediagalactica.info/2013/09/24/un-origen-holografico-para-el-universo/), un conjunto de herramientas matemáticas que permiten traducir las descripciones de eventos en una dimensión a la física de dimensiones diferentes. Por ejemplo, los investigadores pueden resolver ecuaciones relativamente sencillas de dinámica de fluidos en dos dimensiones y utilizar esas ecuaciones para entender que está pasando en un sistema más complejo (Por ejemplo, la dinámica de un agujero negro tridimensional). Matemáticamente, las dos descripciones son intercambiables (El fluido sirve como una analogía perfecta ara el extraordinario agujero negro).

El éxito de la holografía ha convencido a una gran cantidad de científicos. Quizás los límites entre dimensiones sean menos estables de lo que creemos. Quizás las reglas del cosmos están escritas en otro conjunto de dimensiones y las percibimos traducidas en tres dimensiones. Quizás, como los prisioneros que Platón describió, nuestras circunstancias especiales nos han engañado haciéndonos creer que el mundo es tridimensional cuando de hecho un mejor entendimiento de lo que percibimos se explica mejor en la cuarta dimensión.

Hay una segunda razón por la cual vale la pena pensar en el Universo tetradimensional. Un estudio de este Universo podría ayudarnos a entender cuestiones profundas acerca del origen y naturaleza del Cosmos. Consideremos, por ejemplo, el Big Bang, el instante primordial que trajo el Universo a nuestra existencia. La cosmología moderna sostiene que el al Big Bang inmediatamente le sucedió una “Inflación” (Un periodo de rápida expansión en el cual el naciente Universo incrementó su volumen en un factor de 1078 o más). Está expansión todavía no proporciona pistas o señales sobre qué fue lo que originó el Big Bang. La idea del Universo tetradimensional, en contraste, proporciona la respuesta a la pregunta “¿De dónde viene el Universo? Claro está que nos plantea la pregunta “¿Cómo se originó el Universo tetradimensional? Pero bueno, eso lo dejaremos para otro post.

El Cosmos conocido y desconocido

Las investigaciones en el Universo tetradimensional se han realizado debido a las dificultados que conlleva solo contemplarlo como un Universo tridimensional. La cosmología moderna ha sido fantásticamente exitosa, y ese éxito ha desmentido profundos y complejos misterios que nos ha llevado hasta la explicación holográfica.

Los cosmólogos pueden describir la historia del Universo entero (Desde el día de hoy hasta una pequeña, muy pequeña fracción de un segundo después del Big Bang) utilizando unas cuantas ecuaciones (Principalmente las proporcionadas por Albert Einstein) y cinco números independientes (O parámetros). Estos parámetros incluyen las densidades de la materia ordinaria, la materia oscura y la energía oscura, junto con la amplitud y forma de las fluctuaciones cuánticas en el Universo naciente. Este modelo (Conocido como el paradigma cosmológico λ-CDM, por sus siglas en inglés: Lambda Cold Dark Matter) describe cientos (Sino es que miles) de puntos de observación de información, cubriendo escalas que van desde el millón de años-luz hasta diez mil millones de años-luz a través de, y hasta el borde de nuestro Universo observable.

Pero esas observaciones exitosas no significan que la tarea se haya completado. La historia del Universo está empacada con algunos agujeros problemáticos. Los científicos se han confrontado con cuestiones fundamentales acerca de la naturaleza del cosmos (Problemas que actualmente no han podido resolverse).

Problema 1: No hay un completo entendimiento acerca de los cinco parámetros

No se cuenta aún con una explicación satisfactoria de los cinco parámetros del modelo λ-CDM, algunos de los cuales deben ser seleccionados de manera muy precisa de acuerdo con las observaciones. Considerar la densidad de la materia y energía del Universo. Solo hace unas décadas los astrónomos creían que la materia ordinaria (Los elementos presentes en La Tabla Periódica) serían la forma dominante de masa-energía. Las observaciones cosmológicas han revisado de manera radical esta afirmación (Y durante el camino se han otorgado tres premios Nobel). Ahora sabemos que la densidad de la materia ordinaria es de solo el 5% de la densidad de energía total del Universo. Otro 25% proviene de la materia oscura, una forma desconocida de materia cuya existencia es inferida por la atracción gravitacional (Más información aquí http://laenciclopediagalactica.info/2010/08/28/materia-oscura/). El 70% restante está formado de energía oscura (Más información aquí http://laenciclopediagalactica.info/2010/08/29/energia-oscura/), la materia misteriosa que es causante de que el ritmo de expansión del Universo se acelere en lugar de desacelerar por la atracción gravitatoria. ¿Qué son la materia y energía oscuras y por qué conforman la mayor parte del Universo? Aún no lo sabemos.

Quizás las respuestas se presenten cuando entendamos mejor el Big Bang (El abrupto origen del espacio y el tiempo en un plasma caliente de radiación y partículas a una temperatura superior a los 1027 grados). Es muy difícil imaginar cómo una situación como la del Universo en esos momentos después del Big Bang nos llevó a lo que observamos actualmente (Un cosmos de prácticamente una temperatura uniforme con una geometría espacial a gran escala, en la cual los ángulos de los triángulos suman 180°).

La inflación cósmica puede ser la mejor idea que tenemos para entender la estructura a gran escala del Universo. La inflación puede tender a “aplanar” el Universo, suavizar las regiones curvas del espacio-tiempo, y brindarnos una temperatura uniforme.  Como una lupa cósmica, la inflación también amplifica las pequeñas fluctuaciones cuánticas en la densidad de la energía hasta las dimensiones cósmicas durante este proceso. Estas fluctuaciones a su vez se convierten en “las semillas” que formarán las galaxias, estrellas, planetas y los organismos vivientes, tal como los que pueblan este planeta.

La inflación es generalmente considerada como un paradigma exitoso. Por décadas, los cosmólogos han verificado las predicciones de la inflación por observación de la radiación de microondas cósmicas de fondo (CMB, por sus siglas en inglés: Cosmic Microwave Background http://laenciclopediagalactica.info/2011/02/10/%c2%bfpor-que-el-universo-se-esta-acelerando/), un registro cósmico de la fluctuación de la densidad en el Universo naciente. Las observaciones recientes del satélite Planck confirman que nuestro Universo es prácticamente plano (No en el concepto de dos dimensiones) y que es uniforme, tal como lo predice la inflación. Además, la amplitud observada y la forma de las fluctuaciones de la materia primordial están en amplio acuerdo con lo que esperamos de la inflación para magnificar el vacío cuántico.

Problema 2: No entendemos la inflación completamente.

Deberíamos preguntarnos qué es lo que llevó a esta inflación, la cual utilizó una gran cantidad de energía. Imaginamos que, poco después de que se originó el Big Bang, el Universo se llenó con energía que tomó de la forma de una partícula hipotética llamada Inflaton. La partícula de Higgs, descubierta recientemente por el LHC en el CERN, cerca de Ginebra, comparte muchas propiedades con (Y es un posible candidato a serlo) el inflaton. El inflaton puede ser responsable tanto de la temprana expansión acelerada como por la estructura de nuestro Universo porque las diferencias significativas en la densidad en el Universo temprano son causadas por las diminutas fluctuaciones cuánticas en la energía de campo del inflaton.

Pero el inflaton no resuelve nuestros problemas; solo los hace retroceder un paso. Las propiedades del inflaton, su procedencia, y como encontrarlo, permanecen en el misterio. De hecho, no estamos seguros realmente si existe.

Además, los físicos no entienden cómo es que termina el inflaton naturalmente. Si algún tipo de energía lo maneja conduce la expansión exponencial del Universo ¿Qué haría que se ‘apagara’ de repente? Y carecemos de una descripción satisfactoria de la historia de nuestro cosmos antes de la era inflacionaria (Aquellas primeras trillonésimas de segundo después del Big Bang)

Problema 3: No entendemos como inició todo

El reto más grande de la cosmología es entender el Big Bang mismo (El surgimiento repentino, violento, de todo el espacio, tiempo y materia de un punto infinitamente denso denominado “Una singularidad”). Una singularidad es una cosa bizarra inimaginable, un punto donde el espacio y el tiempo se curvan en sí mismos, haciendo imposible distinguir el futuro del pasado. Todas las leyes de la física se rompen. Una singularidad es un Universo sin ningún orden ni reglas. De una singularidad puede venir cualquier cosa que pueda existir de manera lógica. No tenemos razones para creer que una singularidad podría generar un Universo tan ordenado como el que vemos.

Esperaríamos que el surgimiento de un universo desde una singularidad sería caótico, marcado por altas fluctuaciones de temperatura de un punto a otro. Además, no podría esperarse que el poder aumentado de la inflación ‘tranquilizara’ todo. De hecho, si esas fluctuaciones son demasiados largas, la inflación podría no tener una oportunidad de ocurrir. El problema de una singularidad no puede ser resuelta solo por la inflación.

Las singularidades son extrañas, pero no desconocidas. Forman parte también del centro de los agujeros negros, esos remanentes colapsados de las estrellas gigantes. Todas las estrellas son hornos nucleares que fusionan elementos ligeros (Principalmente hidrógeno) en otros más pesados. Este proceso de fusión nuclear energiza a una estrella más allá de su vida, per eventualmente, la estrella agota todo su combustible nuclear, y la gravedad se hace cargo. Una estrella al menos 10 veces más masiva que nuestro Sol colapsará en sí misma antes de explotar como una Supernova. Si la estrella es aún mayor (15 a 20 masas solares o incluso más) la Supernova dejará un núcleo denso que colapsa, contrayéndose en un punto de tamaño “cero”, un agujero negro.

Los agujeros negros pueden considerarse como regiones del espacio en los cuales ni siquiera la luz se puede escapar. Dado que la velocidad de la luz es la máxima velocidad alcanzable por cualquier forma de materia, los límites de un agujero negro (Una superficie bidimensional denominada Horizonte de sucesos) es un punto de no retorno: Si cae materia estelar (O cualquier otra cosa) en el interior de sus límites, es separada del resto del Universo y empujada inexorablemente hacia el centro de la singularidad.

Al igual que con el Big Bang, las leyes de la física se rompen en esta singularidad también. La diferencia con el Big Bang es, sin embargo, que un agujero negro está rodeado por este horizonte de sucesos. La superficie actúa como una envoltura blindada (La cual previene que cualquier información acerca de la singularidad se fugue). El horizonte de sucesos de un agujero negro ‘protege’ a los observadores externos los efectos impredecibles de la singularidad.

El horizonte de sucesos efectivamente interpreta la impotente singularidad, haciendo posible para las leyes de la física describir y predecir lo que observamos. Visto a la distancia, un agujero negro parecer ser una simple, suave y uniforme estructura, descrita solo por su masa y momento angular (Y carga eléctrica, si es que se tiene). Aunque los físicos recientemente han destacado algunas cuestiones interesantes acerca de si la imagen convencional es consistente con la física cuántica (Platicaremos al respecto en uno o dos meses, cuando mucho), la hipótesis de trabajo en la cosmología es que los agujeros negros están envueltos por su horizonte de sucesos.

En contraste, la singularidad del Big Bang (Como lo entendemos comúnmente) no está envuelta. No tiene un horizonte de sucesos. A algunos físicos les gustaría tener una manera de protegernos de la singularidad del Big Bang y su catastrófica imprevisibilidad, tal vez por algo parecido a un horizonte de sucesos.

Un grupo de físicos ha propuesto tal escenario. Convierte al Big Bang en un espejismo cósmico. La imagen envuelve la singularidad en el Big Bang justo como un horizonte de eventos envuelve la singularidad en el corazón de un agujero negro. La envoltura nos protegería de la singularidad mercurial y los efectos nefarios.

Colapso extradimensional

Tal envoltura puede diferir de un horizonte de sucesos ordinario en una situación crítica. Dado que percibimos nuestro universo en tres dimensiones espaciales, el horizonte de sucesos que envuelve a la singularidad en el corazón del Big Bang debe tener tres dimensiones espaciales (No solo dos). Si imaginamos que este horizonte de sucesos también proviene del resultado de un colapso cósmico (Tal como el horizonte de sucesos de un agujero negro bidimensional es formado por el colapso de una estrella tridimensional) entonces el colapso tendría que tener lugar en un universo con cuatro dimensiones espaciales.

Este tipo de escenario extradimensional, en el cual el número de dimensiones en el espacio excede las obvias tres, es una idea casi tan vieja como la misma relatividad general. Fue propuesta originalmente por Theodor Kaluza en 1919 y expandida por Oscar Klein en la década de 1920. Su idea fue ampliamente olvidada por más de medio siglo antes de que los físicos la recuperaran en la década de 1980. En fechas más recientes, los científicos la han utilizado para construir una cosmología de los denominados Brane Worlds.

La idea básica de un Brane World es que nuestro Universo tridimensional es un sub-universo incrustado en un espacio mayor de cuatro o más dimensiones espaciales. El Universo tridimensional es llamado Brane, y el Universo mayor es denominado Masivo. Todas las formas conocidas de materia y energía están ‘atrapadas’ a nuestro Brane tridimensional tal como una película proyectada en la pantalla del cine (O la sombra que se formaba en la caverna de los prisioneros mencionados por Platón al inicio de ésta publicación).  La excepción es la gravedad, la cual permea a las dimensiones superiores del Masivo.

Pensemos acerca del superuniverso masivo de cuatro dimensiones espaciales que podría haber existido antes del Big Bang. Podemos imaginar que este Universo estaba lleno con objetos tales como estrellas y galaxias tetradimensionales. Estas estrellas se quedarían sin combustible (Tal como les pasa a las tridimensionales) y colapsarían en agujeros negros.

¿Cómo luciría un agujero negro tetradimensional? Podría poseer un horizonte de sucesos también, una superficie de no retorno de la cual no podría escapar. Pero en lugar de una superficie bidimensional, como podrían ser los ordinarios, generaría un horizonte de sucesos tridimensional.

De hecho, modelando el colapso de muerte de una estrella tetradimensional, encontramos, bajo un determinado conjunto de suposiciones, que el material expulsado del colapso estelar puede formar un Universo Brane tridimensional de lenta expansión rodeando este horizonte de sucesos tridimensional. Así, nuestro Universo sería un Brane Tridimensional (Una especie de holograma para una estrella tetradimensional colapsando en un agujero negro). La singularidad cósmica del Big Bang está oculta a nosotros, sin acceso para siempre detrás de un horizonte de sucesos tridimensional.

¿Esto es real?

Este modelo tiene cierto número de detalles a favor, comenzando con el hecho de que elimina la singularidad manifiesta que dio lugar a el Universo. Pero ¿Qué hay al respecto de los otros detalles cosmológicos como la cercanía al Universo plano y la alta uniformidad del Cosmos? Dado que un Universo Masivo tetradimensional podría haber existido por una cantidad de tiempo infinitamente grande en el pasado, cualquier punto caliente o frío tendría el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio. El Universo Masivo sería liso, y nuestro Universo Brane tridimensional podría heredar esta lisura.

Además, debido a que el agujero negro tetradimensional podría aparecer también casi sin rasgos, nuestro emergente Universo Brane tridimensional sería igualmente liso. La gran masa de esta estrella tetradimensional, la lisura del Brane tridimensional, y la llanura de nuestro Universo es una consecuencia de éstos detritos residuales del colapso de una estrella pesada.

De esta manera, el modelo de un Big Bang holográfico resolvería no solo los principales rompecabezas de uniformidad y cercana llanura de la cosmología estándar sin recurrir a la inflación, sino que también nulifica los efectos dañinos de la singularidad inicial.

La idea puede sonar un tanto loca, pero hay varias maneras en las que podemos probarlo. Una es por medio del estudio de la radiación de microondas cósmicas de fondo (CMB, por sus siglas en ingles). En el exterior del 3-Brane, esperaríamos algo de material masivo tetradimensional (Algo atraído por la atracción gravitacional del agujero negro). Podemos observar que las fluctuaciones térmicas en esta materia extra crearán fluctuaciones en el 3-Brane que altera la distorsión del CMB por pequeñas, pero potencialmente medibles cantidades. Los cálculos recientes difieren de la información obtenida por el observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) por aproximadamente el 3%. Esta discrepancia podría ser el resultado de los efectos secundarios que se dan en el proceso del modelado.

Además, si el agujero negro tetradimensional está girando (Algo muy común en los agujeros negros), entonces este 3-Brane no se observaría igual en todas las direcciones. Los astrónomos también pueden ser capaces de encontrar esta ‘direccionalidad’ estudiando las variaciones sutiles en el CMB.

Desde luego, aun cuando el Big Bang holográfico resolviera una de las cuestiones más grandes (El origen de nuestro universo) de manera simultánea incrementaría un nuevo conjunto de misterios. El primero de ellos (Y quizás el más importante): ¿De dónde proviene el ‘progenitor’ de nuestro universo?

Para una solución a este rompecabezas, podríamos regresar a Platón. Cuando los prisioneros de la historia de Platón salieron de la cueva, la luz del Sol les lastimó los ojos. Les tomó un tiempo para, digamos, ‘ajustar’ el brillo. Al principio, los prisioneros solo fueron capaces de entender las sombras y las reflexiones. Después, ellos pudieron ver la Luna y las estrellas. Finalmente, concluyeron correctamente que el Sol era “El autor de todo lo que podían ver” (Día, noche, estaciones y sombras).

Los prisioneros de la historia de Platón no entendían los ‘poderes’ detrás del Sol, como nosotros aún no terminamos de asimilar el concepto de un universo tetradimensional. Pero al menos, ellos sabían donde comenzar a buscar respuestas.

Referencias

Out of the White Hole: A Holographic Origin for the Big Bang.

Razieh Pourhasan, Niayesh Afshordi and Robert B. Mann

Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Vol. 2014

Kaluza-Klein Gravity

Kaluza-Klein Theory

Kaluza-Klein Supergravity

An Introduction to the Brane World

Responder

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos necesarios están marcados *

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>