Modelo cíclico

Un modelo cíclico (o modelo oscilante) es cualquiera de varios modelos cosmológicos en los que el universo sigue ciclos autosostenibles infinitos o indefinidos. Por ejemplo, la teoría del universo oscilante considerada brevemente por Albert Einstein en 1930 teorizó que el universo seguía una serie eterna de oscilaciones, cada una de las cuales comenzaba con un Big Bang y terminaba con un Big Crunch; Mientras tanto, el universo se expandiría durante un período de tiempo antes de que la atracción gravitacional de la materia hiciera que colapsara nuevamente y sufriera un rebote.

Descripción general

En la década de 1920, los físicos teóricos, sobre todo Albert Einstein, consideraron la posibilidad de un modelo cíclico para el universo como una alternativa (eterna) al modelo de un universo en expansión. En 1922, Alexander Friedmann introdujo la teoría del universo oscilante. Sin embargo, el trabajo de Richard C. Tolman en 1934 demostró que estos primeros intentos fracasaron debido al problema cíclico: según la Segunda Ley de la Termodinámica, la entropía sólo puede aumentar. Esto implica que los ciclos sucesivos se hacen cada vez más largos. Extrapolando hacia atrás en el tiempo, los ciclos anteriores al actual se vuelven cada vez más cortos y culminan nuevamente en un Big Bang y, por lo tanto, no lo reemplazan. Esta situación desconcertante se mantuvo durante muchas décadas hasta principios del siglo XXI, cuando el componente de energía oscura recientemente descubierto proporcionó nuevas esperanzas para una cosmología cíclica consistente. En 2011, un estudio de cinco años de 200.000 galaxias y que abarca 7 mil millones de años de tiempo cósmico confirmó que "la energía oscura está separando nuestro universo a velocidades cada vez más aceleradas".

Un nuevo modelo cíclico es el modelo de cosmología brana de la creación del universo, derivado del modelo ekpirótico anterior. Fue propuesto en 2001 por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y Neil Turok de la Universidad de Cambridge. La teoría describe un universo que explota no sólo una vez, sino repetidamente a lo largo del tiempo. La teoría podría explicar potencialmente por qué una forma repulsiva de energía conocida como constante cosmológica, que está acelerando la expansión del universo, es varios órdenes de magnitud más pequeña de lo predicho por el modelo estándar del Big Bang.

En 2007, Lauris Baum y Paul Frampton, de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, propusieron un modelo cíclico diferente basado en la noción de energía fantasma.

Otros modelos cíclicos incluyen la cosmología cíclica conforme y la cosmología cuántica de bucles.

El modelo Steinhardt-Turok

En este modelo cíclico, dos planos orbitales paralelos o M-branas chocan periódicamente en un espacio de dimensiones superiores. El universo visible de cuatro dimensiones se encuentra en una de estas branas. Las colisiones corresponden a una inversión de la contracción a la expansión, o un Big Crunch seguido inmediatamente por un Big Bang. La materia y la radiación que vemos hoy se generaron durante la colisión más reciente en un patrón dictado por fluctuaciones cuánticas creadas antes de las branas. Después de miles de millones de años el universo alcanzó el estado que observamos hoy; después de miles de millones de años adicionales, finalmente comenzará a contraerse nuevamente. La energía oscura corresponde a una fuerza entre las branas y cumple la función crucial de resolver los problemas de monopolo, horizonte y planitud. Además, los ciclos pueden continuar indefinidamente en el pasado y en el futuro, y la solución es un atractor, por lo que puede proporcionar una historia completa del universo.

Como demostró Richard C. Tolman, el modelo cíclico anterior falló porque el universo sufriría una inevitable muerte por calor termodinámico. Sin embargo, el modelo cíclico más nuevo evita esto al tener una expansión neta en cada ciclo, lo que evita que se acumule entropía. Sin embargo, quedan importantes cuestiones abiertas en el modelo. El más importante de ellos es que los teóricos de cuerdas no entienden las branas en colisión, y nadie sabe si el espectro invariante de escala será destruido por la gran crisis. Además, como ocurre con la inflación cósmica, si bien se conoce el carácter general de las fuerzas (en el escenario ekpirótico, una fuerza entre branas) necesarias para crear las fluctuaciones del vacío, no existe ningún candidato procedente de la física de partículas.

El modelo Baum-Frampton

Este modelo cíclico más reciente de 2007 asume una forma exótica de energía oscura llamada energía fantasma, que posee energía cinética negativa y que normalmente haría que el universo terminara en un Big Rip. Esta condición se logra si el universo está dominado por la energía oscura con una ecuación cosmológica del parámetro estatal ${displaystyle w}$ satisfacción de la condición ${displaystyle wequiv {fnMicroc {p}{rho ♪♪$, para densidad de energía ${displaystyle {rho }$ y presión p. En contraste, Steinhardt-Turok asume ${displaystyle w{geq}-1}$. En el modelo Baum-Frampton, un septillionth (o menos) de un segundo (es decir, 10)⁻²⁴⁻ segundos o menos) antes del Big Rip, se produce un giro y sólo un parche causal se mantiene como nuestro universo. El parche genérico no contiene ningún quark, lepton o portador de fuerza; sólo energía oscura – y su entropía desaparece así. El proceso adiabático de contracción de este universo mucho más pequeño tiene lugar con una entropía desaparecida constante y sin importar los agujeros negros que se desintegraron antes de girar.

La idea de que el universo "volve vacío" es una nueva idea central de este modelo cíclico, y evita muchas dificultades para enfrentar la materia en una fase contratante como la formación excesiva de estructura, proliferación y expansión de agujeros negros, así como pasar por transiciones de fase como las de QCD y restauración de simetría electroweak. Cualquiera de ellos tendería fuertemente a producir un rebote prematuro no deseado, simplemente para evitar la violación de la segunda ley de la termodinámica. La condición de ${displaystyle w made-1}$ puede ser lógicamente inevitable en una cosmología verdaderamente cíclica debido al problema de la entropía. Sin embargo, muchos cálculos de respaldo técnico son necesarios para confirmar la coherencia del enfoque. Aunque el modelo presta ideas de la teoría de cuerdas, no está necesariamente comprometido con cadenas, o con dimensiones superiores, pero tales dispositivos especulativos pueden proporcionar los métodos más rápidos para investigar la consistencia interna. El valor de ${displaystyle w}$ en el modelo Baum-Frampton se puede hacer arbitrariamente cercano, pero debe ser inferior a, −1.

Otros modelos cíclicos

• cosmología cíclica Conformal —una teoría general basada en la relatividad de Roger Penrose en la que el universo se expande hasta que toda la materia se descaiga y se vuelva a la luz— así que no hay nada en el universo que tenga tiempo o escala de distancia asociado con él. Esto permite que sea idéntico con el Big Bang, así que empezar el próximo ciclo.
• cosmología cuántica de lazo que predice un "puente cuántico" entre contratar y expandir ramas cosmológicas.