Problema del universo pequeño

El universo es grande, dice Douglas Adams.

La luz más lejana que podemos ver es el fondo cósmico de microondas (CMB), que tardó más de 13 mil millones de años en llegar hasta nosotros. Esto marca el borde del universo observable, y aunque se podría pensar que esto significa que el universo tiene 26 mil millones de años luz de diámetro, gracias a la expansión cósmica ahora está más cerca de los 46 mil millones de años luz de diámetro. Según todos los indicios, esto es algo muy importante. Pero la mayoría de los cosmólogos creen que el universo es mucho más grande que el ángulo desde el que se puede observar. Lo que podemos ver es una pequeña parte de un espacio inimaginablemente vasto, Si la creación no es infinita. Sin embargo, un nuevo estudio sugiere que el universo observable es prácticamente todo lo que existe.

En otras palabras, a nivel cósmico, el universo es muy pequeño.

Hay varias razones por las que los cosmólogos creen que el universo es grande. El primero es la distribución de los cúmulos de galaxias. Si el universo no se extendiera más allá de lo que vemos, las galaxias más distantes sentirían una atracción gravitacional hacia nuestra región del universo, pero no lejos de nosotros, lo que daría lugar a cúmulos asimétricos. Dado que las galaxias se agrupan aproximadamente a la misma escala en todo el universo observable. En otras palabras, el universo visible es homogéneo e isotrópico.

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El segundo punto es que El espacio-tiempo es plano. Si el espacio-tiempo no fuera plano, nuestra visión de las galaxias distantes se distorsionaría, haciéndolas parecer mucho más grandes o más pequeñas de lo que realmente son. Las galaxias distantes parecen ligeramente más grandes debido a la expansión cósmica, pero no de una manera que sugiera una curvatura general del espacio-tiempo. Según los límites de nuestras observaciones, la planitud del universo significa que es al menos 400 veces más grande que el universo observable.

La inflación uniformará la temperatura del CMB. Crédito: Nick Strobel

Luego está el hecho de que el fondo cósmico de microondas es un cuerpo negro casi perfecto. Hay ligeras fluctuaciones en su temperatura, pero es más uniforme de lo que debería ser. Para explicar esto, los astrónomos han propuesto un período de expansión masiva justo después del Big Bang, conocido como inflación cósmica temprana. No hemos observado ninguna evidencia directa de esto, pero el modelo resuelve muchos problemas cosmológicos, lo que lo hace ampliamente aceptado. Si el modelo es exacto, el universo ocupa el puesto 1026 Veces más grande que el universo observable.

Entonces, a la luz de toda esta evidencia teórica y observacional, ¿cómo puede alguien argumentar que el universo es pequeño? Se trata de la teoría de cuerdas y se estanca.

Aunque la teoría de cuerdas a menudo se presenta como una teoría física, en realidad es una colección de métodos matemáticos. Puede usarse para desarrollar modelos físicos complejos, pero también puede ser simplemente matemática en sí misma. Un problema al vincular las matemáticas de la teoría de cuerdas con los modelos físicos es que los efectos sólo se verán en las situaciones más extremas y no tenemos suficientes datos de observación para descartar modelos diferentes. Sin embargo, algunos modelos de teoría de cuerdas parecen más prometedores que otros. Por ejemplo, algunos modelos son compatibles con la gravedad cuántica, otros no. Con demasiada frecuencia, los teóricos identifican un «pantano» de teorías poco prometedoras.

La mayor parte de la teoría de cuerdas está en los pantanos. Crédito: APS/Alan Stonebraker

Cuando se separan las tierras teóricas prometedoras del pantano, lo que queda son teorías en las que la inflación cósmica temprana no es una opción. La mayoría de los modelos de teoría inflacionaria de cuerdas existen en pantanos. Esto nos lleva a preguntarnos si es posible construir un modelo cosmológico que sea consistente con la observación sin inflación temprana. Lo que nos lleva a este nuevo estudio.

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Una forma de vencer la inflación temprana es observar estructuras de dimensiones superiores. La relatividad general clásica se basa en cuatro dimensiones físicas, tres de espacio y una de tiempo, o 3 + 1. Matemáticamente, puedes imaginar un universo 3+2 o 4+1, donde la estructura global se puede combinar en una estructura efectiva 3+1. Este es un enfoque común en la teoría de cuerdas porque no se limita a la estructura estándar de la relatividad general. Los autores muestran que, en las condiciones adecuadas, se puede crear una estructura de dimensiones superiores dentro de la teoría de cuerdas, que sea coherente con la observación y evite el atolladero. Y según sus modelos de juego, el universo puede ser sólo cien o mil veces más grande que el universo observable. Sigue siendo grande, pero bastante pequeña en comparación con los primeros modelos de inflación.

Todo esto es sólo especulación, pero en cierto modo, este es el caso de la inflación cósmica temprana. Si la inflación temprana es correcta, deberíamos poder observar su efecto a través de ondas gravitacionales en un futuro bastante cercano. De lo contrario, podría valer la pena examinar más de cerca los modelos de la teoría de cuerdas que nos mantienen fuera del atolladero teórico.

referencia: Leniers, Jean-Luc y Quentin, Jerome. «micro universo«. preimpresión de arXiv arXiv:2309.03272 (2023)

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