Aquí está lo que fue realmente trataba el documento final de Stephen Hawking
Comenzó con una explosión
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
Por Ethan Siegel, para Forbes Marzo 21 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas exclusivamente.
El físico y autor de best-sellers Stephen Hawking presenta un programa en Seattle en 2012. Observe su afirmación (obsoleta) de que una singularidad, y el Big Bang, precede a la época de la inflación cósmica, que es la época más temprana de la que tenemos alguna certeza. Crédito de la imagen: AP Photo / Ted S. Warren
El 14 de marzo de 2018, el famoso y célebre científico conocido por la humanidad, Stephen Hawking, murió a la edad de 76 años. Dejó un rico legado en los campos de la astrofísica y la cosmología, compartiendo las maravillas del Universo no solo con su colegas, pero el público en general también. Mejor conocido por su trabajo sobre los agujeros negros, la relatividad general, el tema de las singularidades y el famoso tipo de radiación que lleva su nombre: radiación Hawking, su legado final para la humanidad se presenta en forma de un artículo científico aún bajo revisión por pares. Mientras que las contribuciones más importantes de Hawking a la física teórica ocurrieron en las primeras etapas de su carrera, en las décadas de 1960 y 1970, continuó trabajando en temas desde la paradoja de la información del agujero negro al problema del cortafuegos hasta el nacimiento del espacio y el tiempo. ¿Su último artículo, titulado A Smooth Exit from Eternal Inflation? (preimpresión aquí), se centra en el nacimiento del Universo tal como lo conocemos.
Existe un gran conjunto de evidencia científica que respalda la imagen del Universo en expansión y el Big Bang. La pequeña cantidad de parámetros de entrada y la gran cantidad de éxitos y predicciones observacionales que se han verificado posteriormente se encuentran entre los sellos de una teoría científica exitosa. Pero, ¿el universo comenzó con una singularidad? Esta es todavía una pregunta abierta. Crédito de la imagen: NASA / GSFC
Cuando se trata de cómo nuestro universo llegó a existir, hay algunas preguntas importantes que aún no hemos respondido. En general, se acepta que el Universo en el que vivimos hoy, lleno de estrellas, galaxias, planetas y posiblemente una miríada de formas de vida, surgió de un estado más cálido, denso y uniforme en el pasado. Debido a que el tejido del espacio mismo se está expandiendo, y a medida que se expande, extiende la luz que lo habita a longitudes de onda más largas y frías, tiene sentido concluir que era más denso y más caliente en el pasado. Debido a que la gravitación, a lo largo del tiempo, hace que crezcan macizos de materia, que atraen materia adicional hacia las regiones más densas, tiene sentido concluir que el Universo fue más uniforme y uniforme en el pasado. Si extrapolamos en el tiempo, podemos imaginar un momento en el que aún no había galaxias o incluso estrellas; cuando todavía no había átomos neutrales; donde no había núcleos atómicos. Hasta ahora, hay apoyo observacional para todo esto. Pero si extrapola lo suficiente, llegaría a un estado arbitrariamente cálido y denso: una singularidad.
Las estrellas y galaxias que vemos hoy en día no siempre existieron, y cuanto más nos alejamos, más se acerca el perfecto al Universo, pero hay un límite en la suavidad que podría haber alcanzado, de lo contrario no tendríamos ninguna estructura en absoluto hoy. Para explicarlo todo, necesitamos una modificación del Big Bang: la inflación cosmológica. Crédito de la imagen: NASA, ESA y A. Feild (STScI)
Al menos, esa fue la suposición ingenua que hicimos durante una generación o dos. A fines de la década de 1970, se hizo evidente que el Big Bang requería que empezáramos con una serie de condiciones iniciales que eran muy específicas, finamente ajustadas y nada motivadas para que pudiéramos obtener el Universo que vemos. O estas eran simplemente propiedades con las que nació el Universo, o surgieron de un estado preexistente que causó la aparición de estas condiciones. Había una forma de obtener estas condiciones iniciales si el Universo experimentaba un período de inflación cosmológica, donde en lugar de materia y radiación, había una forma de energía que era intrínseca al tejido del espacio. Esta energía de vacío, o energía de campo, tenía que acoplarse a la estructura del espacio-tiempo de una manera particular, y conduciría a un período donde la estructura del espacio en sí se extendía exponencialmente, durante un largo período, creando un Universo plano y uniforme desprovisto de espacio de partículas de alta energía.
La inflación hace que el espacio se expanda exponencialmente, lo que puede dar como resultado que cualquier espacio curvo preexistente aparezca plano y que las partículas preexistentes se inflen una de la otra. Crédito de la imagen: E. Siegel (L); Tutorial de cosmología de Ned Wright (R)
Este período de inflación cósmica resultó explicar un gran número de observaciones, muchas de las cuales aún no se habían realizado cuando las predicciones de la inflación se calcularon por primera vez. Predijo un Universo con un espectro específico y un patrón de fluctuaciones, que aparecerían en el fondo cósmico de microondas, en la estructura a gran escala del Universo y en una serie de correlaciones observables. Predijo que habría un límite superior a las temperaturas alcanzadas en el Big Bang caliente, y que habría fluctuaciones de super horizontes, en escalas más grandes que la velocidad de la luz podría haber viajado desde el momento del Big Bang. El acuerdo entre teoría y observación ha sido hasta ahora espectacular, confirmando la inflación allí donde se puedan hacer tales observaciones.
Las fluctuaciones cuánticas que ocurren durante la inflación se extienden a través del Universo, y cuando termina la inflación, se convierten en fluctuaciones de densidad. Esto conduce, con el tiempo, a la estructura a gran escala en el Universo actual, así como a las fluctuaciones de temperatura observadas en el CMB. Crédito de la imagen: Siegel, con imágenes derivadas de ESA / Planck y el grupo de trabajo interagencial DoE / NASA / NSF sobre la investigación de CMB.
Pero hay algunos problemas sin resolver en la inflación. En primer lugar, está el problema de cómo comenzó la inflación. Es fácil mostrar, como lo hicieron Borde, Guth y Vilenkin en 2001, que cualquier partícula que surja en un espacio-tiempo inflacionario debe haber encontrado un tiempo finito en el pasado. En el lenguaje de la relatividad, un espacio-tiempo inflado es pasado-línea de tiempo incompleta. Este teorema no es universal, lo que significa que algunos modelos de inflación pueden evitar el inicio de la inflación. Pero cuando se aplica, indica que la inflación surgió de una condición preexistente y, por lo tanto, implica la existencia de una singularidad. Stephen Hawking es un experto en teoremas de singularidad, su propuesta sin límites con James Hartle está relacionada con esta misma pregunta, y durante toda su vida, (comprensiblemente) fue parcial a los tiempos espaciales que tienen un comienzo singular.
Dentro de un agujero negro, la curvatura del espacio-tiempo es tan grande que la luz no puede escapar, ni las partículas, bajo ninguna circunstancia. Una singularidad, basada en nuestras leyes actuales de la física, debe ser una inevitabilidad. Stephen Hawking era un experto en singularidades y teoremas de singularidad, y también los ha conjeturado ser una inevitabilidad al comienzo del Universo, aunque hasta ahora esto no ha sido probado. Crédito de la imagen: usuario de Pixabay JohnsonMartin
También está el problema de la inflación eterna: una vez que comienzas a inflar una región de espaciotiempo, rápidamente expande todo lo demás. Si tan solo 0.000001% del Universo se está inflando, luego de aproximadamente 10-30 segundos, solo una parte en 10300 no se está inflando. Puede haber un número arbitrariamente grande de regiones donde la inflación llega a su fin, y da lugar a un gran Big Bang, pero estarán separados para siempre inflando el espacio entre ellos. El nombre de inflación eterna se produce porque una vez que comienza la inflación, continúa arbitrariamente en el futuro, y lo hace en la mayoría de las regiones del espacio.
Dondequiera que ocurra la inflación (cubos azules), da lugar a regiones del espacio exponencialmente mayores con cada paso adelante en el tiempo. Incluso si hay muchos cubos donde termina la inflación (X roja), hay muchas más regiones donde la inflación continuará en el futuro. El hecho de que esto nunca llegue a su fin es lo que hace que la inflación sea "eterna" una vez que comienza. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
El intento de entender:
- 1. cómo comenzó la inflación,
- 2. qué condiciones existían antes del inicio de la inflación,
- 3. qué causó que la inflación termine donde estamos,
- 4. cuál es la probabilidad de que termine en una región en particular,
- 5. y si es eterno, ya sea para el futuro o el pasado,
son todas las áreas activas de investigación. Muchos de los mejores cosmólogos y astrofísicos han publicado sobre este tema, y lo hacen al elegir una forma de modelar este comportamiento físico y derivar las consecuencias. El último trabajo de Hawking, coautor con su ex alumno Thomas Hertog, es otra entrada en la saga.
Una gran cantidad de regiones separadas donde ocurren Big Bangs están separadas inflando continuamente el espacio en una inflación eterna. Para que nuestro Universo exista, debe tener una probabilidad finita de creación, dado un multiverso. Algunos documentos, incluido el nuevo de Hawking y Hertog, desafían esta conclusión. Crédito de la imagen: Karen46 de http://www.freeimages.com/profile/karen46
Aquí está, en pocas palabras, lo que hacen. Crean una teoría de campo conformal (deformada) que es matemáticamente equivalente (o dual) a un espacio-tiempo inflado eternamente, e investigan algunas propiedades matemáticas de esa teoría de campo. Miran, en particular, donde está el borde de un espacio-tiempo que se infla por una eternidad (adelante en el tiempo) versus uno que no lo hace, y lo eligen como el problema interesante a considerar. Luego miran las geometrías que surgen de esta teoría de campo, intentan volver a mapear eso en nuestro Universo físicamente inflado, y sacar una conclusión de eso. En función de lo que encuentren, afirman que la salida de la inflación no le proporciona algo que se inflará eternamente en el futuro, con bolsas desconectadas donde ocurren Big Bangs calientes, sino que la salida es finita y suave. En otras palabras, le da un Universo único, no una serie de Universos desconectados incrustados en un multiverso más grande.
El Universo en expansión, lleno de galaxias y estructuras complejas que vemos hoy, surgió de un estado más pequeño, más caliente, más denso y más uniforme. Crédito de la imagen: C. Faucher-Giguère, A. Lidz, y L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Ese es su papel. No hay consecuencias observables; no hay nada que medir; no hay nada que probar No hay predicción sobre el fin del Universo, y no hay conclusiones sólidas que podamos extraer sobre su comienzo. Existen enormes limitaciones a las implicaciones de este trabajo, y hay pocas razones convincentes para creer que su modelo de juguete tiene relevancia para nuestro Universo físico. Es una semilla de una idea que en sí misma es controvertida, basada en una base también controvertida, y este es un paso muy pequeño en su desarrollo. Además, todo lo que hacen se basa en la conjetura sin límites de Hartle-Hawking, que aún no se acepta generalmente como verdadera. Los autores van tan lejos como para admitir, en la discusión de este artículo, que incluso dentro de su modelo de juguete, no han demostrado que exista una salida no inductora de Multiverso a la inflación eterna:
Por lo tanto, sigue siendo una pregunta abierta si la suavidad conjeturada de las superficies de densidad constante global afecta la eternidad de la inflación eterna.
Las líneas azules y rojas representan un escenario "tradicional" de Big Bang, donde todo comienza en el tiempo t = 0, incluido el espaciotiempo en sí mismo. Pero en un escenario inflacionario (amarillo), nunca llegamos a una singularidad, donde el espacio pasa a un estado singular; en cambio, solo puede hacerse arbitrariamente pequeño en el pasado, mientras que el tiempo continúa retrocediendo para siempre. La condición de no-frontera de Hawking-Hartle desafía la longevidad de este estado, como lo hace el teorema de Borde-Guth-Vilenkin, pero ninguno es una cosa segura. Crédito de la imagen: E. Siegel
Las preguntas que están intentando responder siguen siendo válidas, las preguntas abiertas, y lo mejor que este documento puede hacer, si es correcto y relevante, y puede que no sea ninguno, es proporcionar sugerencias para una respuesta. El enfoque se basa principalmente en el trabajo que Hartle, Hawking y Hertog han hecho en el pasado, la conexión dS / CFT iniciada por Chris Hull y otros, junto con el trabajo inspirado en cuerdas realizado por Andrew Strominger y sus colaboradores. Nada de esto se basa en ningún modelo cosmológico realista; estos son modelos de juguete en los que están calculando, y luego razonamiento-por-analogía con lo que realmente sabemos que existe. Al igual que la mayoría del trabajo teórico en las primeras etapas, hay ideas interesantes que se presentan, el trabajo y los cálculos son altamente especulativos, y no hay necesariamente una conexión con la realidad. Pero hay una posibilidad no cero de que uno sea real. Y en física teórica, una idea novedosa con una posibilidad vale infinitamente más que ninguna idea nueva en absoluto.
El cosmólogo Stephen Hawking en el anuncio de 2016 de la nueva Iniciativa Breakthrough que se enfoca en la exploración espacial y la búsqueda de vida en el universo. Crédito de la imagen: (AP Photo / Bebeto Matthews)
Independientemente de cómo resulte todo, estas preguntas fundamentales continuarán encantando, confundiendo y frustrando a los físicos mientras buscamos las respuestas definitivas a la verdadera naturaleza del Universo mismo.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
Wih a tiny help from Google Translate for Business