NeoFronteras

Modelo cosmológico sin Big Bang

Área: Física — miércoles, 28 de julio de 2010

Publican en ArXiv un nuevo modelo cosmológico que explica la aceleración cosmológica. Según su autor, en este modelo no se necesita un Big Bang.

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Contraste entre el modelo y datos de supernovas. Fuente: Wun-Yi Shu.

No es sencillo explicar el origen, evolución y fin de todo el Cosmos, quizás incluso no contemos con toda la información necesaria para resolver todos los misterios acerca de este tema. Cuando ya creíamos que teníamos un buen modelo cosmológico, la aparición a finales de los noventa de los resultados de supernovas Ia hizo replantearnos lo que sabíamos, pues contradecía lo que creíamos saber del Universo. Según esos datos la expansión del Universo se está acelerando cada vez más. Se ha culpado de este efecto a algo que se ha denominado energía oscura, aunque aquí “oscura” significa que no sabemos cuál es su naturaleza. El espacio estaría todo lleno de energía oscura que daría cuenta de más del 70% de toda la masa-energía del Cosmos. Según algunos, el precio a pagar por llenar el espacio de esta energía es que según se crea más espacio con la expansión se crea más energía y, por tanto, la energía no se conserva.
Desde entonces algunas voces se alzan en contra de este misticismo y aseguran que la constante cosmológica puede explicar perfectamente este efecto de aceleración cosmológica. Según ellos no es más que un prejuicio dotar de misterio a algo que puede ser tan natural como la velocidad de la luz, o la constante de gravitación universal. La constante cosmológica sería simplemente una presión o “gravedad negativa” dependiente de la cantidad de espacio. A más expansión, más espacio, y por tanto, mayor efecto de la constante cosmológica.
Otra manera de solucionar el dilema es decir que la Relatividad General no es buena para describir el Universo y que necesita ser modificada. También se puede intentar crear un nuevo modelo cosmológico que de cuenta de esas observaciones.
Ahora, Wun-Yi Shu, de la Universidad Nacional Tsing Hua de Taiwan, propone una explicación a esta aceleración anómala sin necesidad de introducir una constante cosmológica en la Relatividad General y niega la necesidad de la energía oscura. Según este o estos modelos, la velocidad de la luz y la constante gravitacional G no son constantes, sino que varían según evoluciona el Universo, el tiempo no tiene un principio ni un fin, la sección espacial del universo es una esfera tridimensional y el Universo experimenta fases de aceleración y desaceleración. Además, uno de sus modelos puede ponerse a prueba frente a los datos de supernovas de tipo Ia verificándose así sus predicciones.
Según Shu el tiempo y el espacio no son entidades independientes, sino que pueden convertirse uno en otro. En su formulación de la geometría del espacio tiempo, la velocidad de la luz es simplemente el factor de conversión entre los dos. De manera similar, masa y tamaño son intercambiables de una manera que el factor de conversión depende tanto de la constante de gravitación G como de la velocidad de la luz, que no necesitan ser constantes.
Así que según el Universo se expande, la masa y el tiempo se convierten en tamaño y espacio y lo contrario cuando se contrae.
El Universo según este modelo no tendría ni principio ni fin y sufriría una serie de expansiones y contracciones. En este modelo no hay singularidades.
Obviamente todo esto suena, como mínimo, muy raro. La libertad con la que se formulan modelos cosmológicos está limita por los datos observacionales (si además nos olvidamos de la navaja de Occam). Es decir, podemos fácilmente crear modelos no realistas si no tenemos cuidado. Consciente de ello, Shu ha contrastado su modelo con los datos de supernovas de tipo Ia (ver gráfica). El modelo parece encajar muy bien con los datos de distancia, luminosidad y corrimiento al rojo de esas supernovas. La aceleración que experimentamos puede ser explicada, por tanto, por el modelo de Shu.
Según Shu se puede mantener la conservación de la energía, pero a costa de introducir las novedades antes comentadas, que son, como mínimo, osadas.
Sin embargo, el mayor problema de este modelo es que no explica la existencia y las propiedades del fondo cósmico de microondas, que es una prueba clara de la existencia del Big Bang.
Quizás sea interesante la explicación de la aceleración cosmológica y la preservación de la conservación de la energía, pero el precio de una velocidad de la luz no constante es difícil de aceptar, así como también son difíciles de aceptar nuevos fenómenos acerca de la relaciones intercambiables entre masa, espacio y tiempo, aunque sean atractivos. Es de suponer que Shu sigue trabajando en estas ideas tratando de mejorarlas y aunque no parezca que sus modelos sean publicados en revistas científicas de prestigio todavía. Puede que algunas de sus ideas puedan ser empleadas con más éxito en otros modelos.
Quizás los límites están en nuestra imaginación.

Hay algo que los modelos cosmológicos con infinito pasado no parecen explicar. En un cosmos con flecha del tiempo, ¿cómo puede haber un presente si el pasado es infinito? ¿Como podemos llegar a un momento dado sin antes haber recorrido una infinidad de tiempo? Dotar al Cosmos de un origen del tiempo resuelve este problema.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3207

Fuentes y referencias:
Nota en Technology Review.
Artículo en ArXiv.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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7 Comentarios

  1. NeoFronteras:

    Leyendo un poco más el artículo original quizás podamos aclarar un poco más todo más allá de la nota de Technology Review.
    Básicamente Shu hace unas modificaciones en modelos de Relatividad General introduciendo no solamente que la velocidad de la luz varía en el tiempo c(t) y que también lo haga la constante de gravitación universal G(t), sino que también sea variable la constante de Planck h(t). La elección de los valores en estas funciones del tiempo dan distintos comportamientos del Universo en relación a su expansión. Incluso sintonizando adecuadamente estas funciones de una manera adecuada se puede reproducir el resultados de supernovas Ia. Esto recuerda que basta que un modelos sea lo suficientemente complicado y con el número adecuado de parámetros de valores a elegir para que se pueda demostrar cualquier cosa.
    Según Shu para el tiempo t=0 la velocidad de la luz es infinita y decae en el tiempo hasta alcanzar el valor actual. Aunque este momento de “origen del tiempo” puede ser elegido de manera arbitraria, pues el Universo sería eterno.
    En su modelo se puede conseguir un Universo estático de radio de universo constante o un Universo oscilante, pero con curvatura acotada, ambos en un espacio esférico de curvatura positiva. Si la curvatura es negativa o nula el radio de universo explota y sufre una expansión aceleración sin oscilaciones.
    Recodemos que no parece que el trabajo haya sido admitido en una revista de prestigio aún. No ha pasado por un referee o revisor y es bastante especulativo. Además de los problemas ya mencionados del FCM. Sin embargo, tiene su valor.
    No es la primera vez que se propone una velocidad de la luz variable, en el pasado esto se propuso para resolver el problema de la homogeneidad e isotropía del Universo sin recurrir a la inflación. Si al comienzo era muy alta entonces el Universo se pudo “termalizar” en su conjunto.

  2. tomás:

    Contesto, Neo, al último párrafo del artículo, que supongo tuyo:
    Pues lo mismo que en una serie numérica, desde enteros a reales: Un infinito desde el mas lejano negativo que sería el inconcebiblemente alejado futuro hasta el cero, que sería el presente, y luego, otro infinito positivo hacia el mismo asombroso futuro. Yo no percibo el problema desde ese planteamiento. Ya sabes que mi objeción es al tiempo mismo, que tampoco precisaría de Big Bang para comenzar: no precisa empezar lo que no es.
    Pero ese comentario es filosofía de la que no nos gusta… Esa de Zenón.
    Un cordial e intemporal saludo.

  3. NeoFronteras:

    Apreciado Tomás:
    Es que las series numéricas, como los números enteros, no tienen “flecha” y de algún modo “pre-existen”, son lo que son y se presentan “en bloque”. Podemos, desde fuera, ir a cualquier número, aunque sea grande, y seguir la secuencia. No está claro en el caso del tiempo qué “fuera” nos permite ir a cualquier presente. Es verdad que esto recuerda a Zenón, pero en la paradoja original de Zenón se trataba de la infinita divisibilidad del espacio para negar el movimiento. Pero en el movimiento se puede recorrer un infinitésimo de espacio en un infinitésimo de tiempo. De todos modos la paradoja de Zenón no está del todo aclarada ni con el cálculo infinitesimal.
    Si el tiempo no tiene comienzo la única manera sencilla de imaginar un presente es considerar que el Universo es determinista y todo lo que tiene que ser es en un bloque temporal infinito. De algún modo vivimos un trozo de ese bloque y tenemos la ilusión de que el tiempo fluye y que controlamos nuestras vidas.
    Se puede dibujar un linea sobre el papel, decir que es infinita afirmar que simboliza el tiempo, pero no por ello lo entendemos.
    Una de esas líneas que podemos imaginar es un punto singular del tiempo con dos flechas de sentidos opuestos.
    Francamente no creo que nadie sea capaz de imaginar un infinito pasado y que aún así haya un presente en el que estemos.
    Todo se soluciona si hay un origen del tiempo, así se preserva todo y no hay problemas.

  4. tomás:

    Muy estimado Neo:
    Es muy interesante cuanto dices en tu 3. En efecto “preexisten…” etc.Pero eso sucede porque no somos un individuo de la serie, no estamos dentro, no somos un número, lo que no pasa en el Universo. A él pertenecemos y no podemos estar fuera.
    El que la paradoja de Zenón no esté del todo aclarada me sorprende, pues estaba convencido de era cosa superada desde que pudo demostrarse, hace ya algunos siglos, que una serie infinita de términos decrecientes podía tener solución finita. ¡Cosas veredes…!
    El párrafo segundo de 3 me toca de lleno. El Universo, en mi concepto, es determinista; tenemos la ilusión de que el tiempo fluye y de que controlamos nuestras vidas, como muy bien dices. Pero todo ello es posible sin un bloque temporal infinito. En un esfuerzo imaginativo, olvidemos el tiempo y pensemos que el movimiento previo determina el siguiente sin remedio. Ese anterior y siguiente es sólo una idea de orden, no de tiempo. Se terminó el problema.
    El tercer párrafo “se puede dibujar una línea…” el el gran problema. Podemos simbolizar, no sólo con la línea, sino de cualquier otra forma… y no por ello lo entendemos. Así es. Se trata de un concepto, el del tiempo, tan lleno de paradojas que, a mi entender, su ventaja únicamente está en el “corto plazo” y
    su manejo reside, como ya decía Diego Tentor hace unos días, en lo circular de la medida: la alternancia noche-día, el transcurso anual o los ciclos lunares que luego dividimos y, curiosamente, desde hace no tanto, lo materializamos en un redondo reloj con sus horas dispuestas en círculo que los extremos de las agujas recorren una y otra vez como un par de planetas.
    Creo que ese tiempo lineal hubiera debido imaginarse, si es que lo llegásemos a imaginar, si en nuestro planeta obtuviésemos la energía de su interior, sin rotación alguna y que recorriese una trayectoria más o menos recta o tan larga como las de esos cometas que provienen de la parte más externa de la Nube de Oort o de aún más allá, de forma que fuese imposible observar algún ciclo.
    “Francamente…” dices. Bueno, mi mentalidad me lo permite, pero comprendo que es cosa subjetiva y nada puedo añadir.
    Por fin, tu último párrafo ve la solución al origen en un Big Bang del que emergen el tiempo y el espacio. Es una solución, pero presenta grandes problemas en sí. Yo soy algo escéptico al respecto, aunque reconozco razones a favor. En contra está el que su idea surge al considerar que si los objetos se alejan constantemente, alguna vez hubieron de estar juntos. Eso no es necesariamente cierto: dos trayectorias pueden acercarse, cruzarse sin intersección a una distancia que será mínima, pero que puede ser un mínimo tremendamente grande -en geometría cartesiana- y alejarse sin más. A favor está la entropía que, mientras no se vea otra salida, es cada vez mayor hasta que alcance el máximo de la uniformidad total y, por tanto, el fin de todo movimiento. Por tanto, si ha de haber un final cinético, ¿por qué no un principio?
    Un cordial saludo.

  5. NeoFronteras:

    Muy apreciado Tomás:

    ¡Exactamente! Estamos dentro y no podemos ver “desde fuera”, nosotros y todo lo que nos rodea.

    Cuando nos imaginamos un infinito pasado lo que hacemos es invertir la flecha del tiempo, imponemos este presente y vamos hacia atrás y ese “viaje” no tiene fin. Es básicamente el mismo ejercicio que hacemos que cuando pensamos en el infinito futuro, sólo que lo hacemos en contra de la flecha del tiempo. Imaginamos el infinito pasado con un truco, no lo visualizamos realmente. No pensamos directamente en una infinito pasado y avanzamos con la flecha del tiempo un tiempo infinito hasta llegar al presente (todo ello preservando la causalidad). Naturalmente el que no podamos imaginar algo no significa que no exista.

    Algunos modelos cosmológicos sugieren un antes del Big Bang, pero lo que hacen es básicamente otra inversión del tiempo, toman la situación actual y retroceden con las ecuaciones hacia atrás, comprueban que es posible evitar la singularidad y al “otro lado” ven que hay un Universo (las soluciones de las ecuaciones se parecen a las nuestras en época post Big Bang) que se “contrae” (admitiendo una dirección temporal igual para ambos “lados”), por algún mecanismo desconocido y misterioso, hasta rebotar en nuestro universo. Digamos que al no haber singularidad las ecuaciones tienen poder predictivo más atrás del Big Bang. Son modelos obviamente de juguete, pues no tenemos una buena teoría cuántica de la gravedad. Es decir, no tenemos una buena teoría cuántica del espacio-tiempo.

    No sabemos si una buena teoría cuántica de gravedad tendría incorporada la flecha del tiempo. Si es así el camino teórico antes descrito no sería posible. El universo podría ser “histerético” (con algún tipo de histéresis) y no podríamos invertir la flecha en nuestras ecuaciones y esperar que ese “universo” describa al Universo en ese momento del pasado. Si es así, en su lugar tendríamos que saber las condiciones iniciales y de contorno para nuestras ecuaciones para ese infinito pasado y dejar que evolucionen hasta llegar al presente (matemáticamente posible). Lo malo es que hay cierta censura cósmica que nos impide medir esas condiciones iniciales.
    Tampoco estamos seguros de que el Universo conserve memoria de “su vida pasada”. Ni siquiera estamos seguros de que haya conservado toda la información necesaria para un modelo cosmológico estándar durante la inflación. En un futuro distante no podremos observar el FCM ni la expansión (todas las demás galaxias serán inobservables) y no se podrá inferir la existencia de un Big Bang. Quizás algo similar pasó en el pasado.

    Una posible solución sería que el Bib Bang sea un “espejo” en el cual el Universo refleja su comportamiento temporal. La flecha del tiempo se invierte en él, justo en el régimen de pre-singularidad. No se alcanza la singularidad, pero hay un “punto de inflexión” de “reinicio”. El “bloque” contiene dos universos en el que el supuesto infinito pasado de cada uno de ellos es el infinito futuro del otro. Hay dos flechas del tiempo con sentidos opuestos. Quizás incluso bajo una óptica especial el “otro universo” es este mismo, dos versiones idénticas del mismo universo, es decir, el mismo universo. No está claro qué pasaría con la causalidad en el punto singular.
    No conozco ningún modelo cosmológico que incorpore esta idea.

    Lo que quiero decir es que es imposible conservar todos los conceptos a la vez: flecha del tiempo, infinito pasado, crecimiento de entropía, multiverso, indeterminismo, bloque espacio-temporal, causalidad, libre albedrío, etc. Cualquier modelo no tiene más remedio que sacrificar unos conceptos en favor de otros si quiere ser coherente.
    Respecto al origen del tiempo se puede aplicar un criterio (filosófico) “occamniano” y escoger la explicación más sencilla que es un origen del tiempo. Desde luego es más sencillo que un infinito pasado y un fin del tiempo. Si admitimos un fin del tiempo es más fácil admitir un origen del mismo.

    La paradoja de Zenón no reside en la suma de una serie, pues es verdad que una suma infinita puede dar un número finito. En este caso Zenón no niega que la distancia se finita, pues es la que es, sino que hay que dar una infinidad de pasos (que intrínsecamente necesitan un tiempo) para recorrerla. Lo paradójico es tener en cuenta el tiempo en la ecuación y no considerar que cada paso necesita menos tiempo para poderse dar. Hasta la llegada del cálculo infinitesimal no hubo una buena respuesta matemática al problema. La cuestión es saber si el espacio y el tiempo se pueden dividir físicamente hasta el infinito.

  6. tomás:

    Muy estimado Neo: En primer lugar, gracias por dedicar tanto tiempo a tus respuestas, pues sé que no te sobra.
    Para no abusar más, me extenderé lo menos posible, lo cual es bastante difícil para mí.
    Paso directamente al penúltimo párrafo de tu 5 pues todo lo anterior es perfectamente asumible una vez aceptado el marco que delimitan las variables admitidas.
    Nombras 8 conceptos más el etc. que queda ahí para aumentarlos. Bien, de esos 8 me bastan 2 -puesto que renuncio al tiempo, mi Universo es total y soy un convencido determinista(*)-: Crecimiento de la entropía y causalidad. Es difícil encontrar mejor Navaja de Occam, aunque sé que esto no es prueba de nada.
    Una vez en estas, la cuestión de Zenón queda reducida al espacio y al movimiento, a cuyo cociente llamamos tiempo.
    Creo que es de sobra conocida la peligrosidad de manejar los varios conceptos de infinito por las contradicciones a que pueden dar lugar que, las más de las veces son sólo dialécticas, así que es mejor evitarlas mientras se pueda y, si no queda más remedio, definir muy bien lo que se quiere decir con ese infinito. <me refiero,por ejemplo, a cuendo se dice que algo es "infinitamente pequeño", como se le atribuye a la singularidad del Big Bang. Por ello no me atrevo a pronunciarme sobre la corrección o no de "si el espacio y el tiempo se pueden dividir físicamente hasta el infinito" que es tu última frase. Quizá "ilimitadamente": no sé, pero te comprendo y con ello basta.

    Respecto al tema de la máxima entropía final, me parece fabulosa la fórmula de Boltzmann, pues permite otorgar valores absolutos a S, en cuyo caso imagino que, en la singularidad, su valor sería cero. Lo que no sé es cual será el de la muy futura uniformidad total. Pero resulta curioso comparar esto con que, en ese lejano futuro, la temperatura sería cero absoluto -simultáneo al máximo entrópico-, mientras que tampoco sabríamos decir -al menos yo- cual es la mayor temperatura posible -¿se daría en la singularidad?; parece el momento más oportuno-. Sólo se me ocurre que ha de tener que ver algo con la velocidad de la luz, por lo que debe haber un máximo absoluto. Pero en aquella situación no podía haber radiación electromagnética… ¡Qué debilidad cuando nos hallamos ante estas cuestiones! Y es que pienso que la física de nuestro Universo actual posiblemente no sea aplicable a otras situaciones. ¿O quizás sí y simplemente no
    sabemos interpretarla?

    (*) Una vez me diste una impagable lección sobre este tema que quiero recuperar, pero me llevará algún tiempo. A ver si la encuentro.

    Un cordial saludo.

  7. tomás:

    A daniel silva por su 15 en “Máquina del tiempo sin paradojas”:
    Te felicito por tu brevedad pero ¿qué quieres decir?
    Un cordial saludo.

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