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Según un modelo el Universo en expansión procedería de una transición de fase a partir de un espacio vacío plano en rotación.

Sabemos seguro que hace unos 15000 millones de años el Universo era un objeto muy denso que empezó a expandirse y enfriarse. La nucleosíntesis primordial, el fondo cósmico de microondas y el corrimiento al rojo de las galaxias así lo demuestran. Sobre todo los demás tenemos pocas pruebas, salvo lo que nos puede decir la misión Planck o lo que el LHC nos dice de las propiedades de la materia a cierta temperatura. Si intentamos retroceder más sólo tenemos especulaciones, independientemente del modelo que usemos.
Uno de los grandes problemas de los modelos de Big Bang es que hay un momento singular, tanto por sus especiales características como por sus propiedades de densidad y curvatura infinita. Esto supone un tiempo cero y la aparición, por tanto, del tiempo y el espacio. No hubo un antes del Big Bang ni hubo un dónde. Pero a la vez la teoría es incapaz de hacer predicciones para ese momento porque falla.
La solución suele ser invocar una teoría cuántica de gravedad de la que carecemos y que prohibiría la formación de esa singularidad, de tal modo que la materia en el Big Bang sería muy densa sin ser su densidad infinita y tampoco habría una curvatura infinita. Ya hace veinte años se consiguieron soluciones cosmológicas a las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General (RG) que no eran singulares, pero bajo unas condiciones no realistas o que no se correspondían con nuestro universo.
Ahora, un grupo de físicos de las universidades Tecnológica de Viena, Harvard, Edimburgo y MIT ha conseguido un modelo cosmológico basado en una transición de fase que quizás abra nuevos caminos.
Una transición de fase es algo similar a cuando el agua pasa de líquida a gaseosa o a sólida. En el contexto cosmológico las fases son algo más exóticas, así como sus transiciones. El propio espacio puede experimentar una transición de fase. Así por ejemplo, el espacio vacío puede transformarse en un agujero negro a cierta temperatura, como ya propuso Hawking en los años ochenta.
Según este nuevo modelo habría un Big Bang procedente de una transición de fase. Se preserva, por tanto, un estado denso en expansión para el Universo muy primitivo coincide con los modelos al uso. Pero “antes” se tiene un estado más bien aburrido consistente en un espacio vacío. En un momento ese universo experimenta una transición de fase. Entonces se llena de materia y energía y empieza a expandirse según el modelo habitual como si fuese una burbuja.
Según sus proponentes, la ventaja en este nuevo modelo es que se establece una conexión entre las teorías de campos al uso y la RG.
Daniel Grumiller y sus colaboradores calcularon si se puede definir una temperatura crítica a partir de la cual el propio espacio bidimensional, plano y vacío de tipo Minkowski puede dar lugar a un universo con masa en expansión. Según este esquema, en el propio espacio se forman pequeñas burbujas que crecen y que operan como universos en expansión. Digamos que, metafóricamente, el propio espacio “hierve”.
Para que esto suceda el Universo tiene que rotar (la receta para fabricar un universo de este modo parecer ser calentar y remover), pero esta rotación puede ser arbitrariamente pequeña.
Aunque el modelo ha sido desarrollado para un universo bidimensional, los autores creen que se puede extender a tres dimensiones espaciales sin problemas.
De momento el modelo no desafía el modelo establecido de Big Bang, pero abre las puertas a explorar otras vías para su estudio teórico.
La idea proviene de la conjetura Ads-CFT propuesta en 1997, que ha influido fuertemente a la Física fundamental desde entonces. Esta correspondencia describe una particular conexión entre las teorías de gravedad (RG y sus derivados) y las teorías cuánticas de campos (electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica, etc). En ciertos casos, y según esta conjetura, ciertas afirmaciones de las teorías cuánticas de campos pueden ser traducidas a afirmaciones de las teorías de gravedad y viceversa. En este marco, la teoría de campos es siempre descrita en menos dimensiones que la teoría gravitatoria según el principio holográfico.
Para poder hacer esto los cálculos gravitatorios tienen que efectuarse usualmente en una geometría exótica (espacio de Anti de Sitter), que es distinta de la geometría plana a la que estamos acostumbrados. Aunque se suponía que debía de haber versiones del principio holográfico para espacio-tiempos planos, no había modelos que los usaran.
El año pasado Grumiller y sus colaboradores establecieron un modelo de este tipo con dos dimensiones espaciales (para simplificar) y plano. Esto les permitió explorar sus posibilidades en el estudio de las transiciones de fase en las teorías de campos conocidas, pero, por simetría, esto significaría que las teorías gravitatorias también debían exhibir transiciones de fase.
Ahora han conseguido demostrar que, bajo este esquema, es posible una transición de fase entre un espacio-tiempo vacío y un universo en expansión. Siendo este resultado sólo el principio de lo que parece ser un área prometedora.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Copia en ArXiv.
Foto: TU Wien.