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Pregúntele a Ethan No. 63: El nacimiento del espacio y el tiempo

Si algo existió antes del Big Bang, ¿qué significa esto para el nacimiento de nuestro universo?


Puedes intentar mentirte a ti mismo. Puede decirse que ha invertido todo su tiempo y todos sus esfuerzos. Pero sabes la verdad, y yo lo sé.
J.J. Watt


Ha pasado medio siglo desde que se confirmaron las predicciones más grandes de la teoría del Big Bang, y cambió para siempre nuestra comprensión del Universo. En lugar del concepto de Universo eterno e infinito, ahora entendemos que todo lo que podemos observar existió durante aproximadamente 14 mil millones de años de tiempo cósmico, y el Sol y el Sistema Solar existen solo un tercio de este período. Lo que hace que la pregunta de Sebastian en nuestra columna sea tan interesante:

¿Cuándo comenzó el espacio-tiempo? Cuando era niño, aprendí que el comienzo de todo fue el Big Bang. Ahora, aparentemente, esta idea no es del todo cierta, ya que antes del Big Bang hubo una inflación cósmica, y la explosión no fue una explosión en absoluto, sino un estado en el que el Universo era más cálido y más denso. Si hubo inflación antes del Big Bang, ¿también hubo espacio-tiempo antes?

Para responder completamente la pregunta, debemos considerar tres cosas. El primero es lo que entendemos por espacio y tiempo.



Está acostumbrado al concepto habitual de espacio (longitud, ancho, altura) y tiempo, que simplemente puede imaginar como respuestas a las preguntas "cuándo" y "dónde". Y esta no es una mala idea, pero hay dos características del espacio y el tiempo que debes conocer y que pueden no parecer tan intuitivas. Le tomó a Einstein darse cuenta, ¡e incluso él no habría podido hacer frente sin ayuda!

Primero, el espacio y el tiempo no son dos entidades separadas, como Newton creía. Si te mueves en el espacio, tu movimiento cambia el curso del tiempo para ti, y si dos personas se mueven en el espacio a diferentes velocidades, perciben de manera diferente tanto su tiempo como el tiempo transcurrido para otro.



La forma en que la manera más fácil de describir lo que estaba sucediendo ni siquiera fue inventada por Einstein, sino por el matemático alemán Minkowski . Es necesario considerar el espacio-tiempo unido, donde en lugar de tres dimensiones espaciales y una temporal, hay una esencia tetradimensional del espacio-tiempo. En 1908, Minkowski escribió lo siguiente:
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Y aunque Einstein inicialmente se opuso a tal revolución, su adopción de un nuevo concepto condujo a un descubrimiento aún mayor.



El punto no es solo que el espacio y el tiempo se combinen en un tejido de cuatro dimensiones del espacio-tiempo, sino también que la curvatura de este tejido está determinada por la presencia de materia y energía. Así como el movimiento a través del espacio-tiempo afecta la forma en que los observadores evalúan el tiempo y las distancias que pasan de diferentes maneras, la presencia de materia y energía (y curvatura en el caso general) afecta la percepción del espacio y el tiempo.

En los ejemplos más extremos de la concentración de materia y energía, singularidades, se violan los conceptos de espacio y tiempo.



Es más común para nosotros presentar una singularidad como el centro de un agujero negrodonde una densidad arbitraria (y posiblemente infinita) de materia y energía se vuelve alcanzable. En este caso, se viola el concepto de espacio-tiempo, porque las ecuaciones de Einstein dan resultados sin sentido.

El segundo tema a considerar es el esquema Big Bang.



El Universo de hoy nos parece relativamente frío y vacío, con la excepción de los lugares donde se concentran la materia, las estrellas, los planetas y la vida, que se han formado durante miles de millones de años de su existencia. Toda esta pirámide cósmica, desde escalas subatómicas hasta enormes cúmulos galácticos, existe debido a la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares.

Retrocediendo en el tiempo, encontramos que todo en el pasado era más uniforme desde un punto de vista gravitacional, y el Universo era más caliente (las longitudes de onda de la luz eran más cortas) y más densa, debido al hecho de que el espacio-tiempo se expandía constantemente.



Podemos retroceder en el tiempo arbitrariamente lejos, a energías cada vez más altas, altas temperaturas y densidades crecientes. Por ejemplo, hasta el momento en que: las

estrellas y galaxias aún no se habían formado, y el Universo era un mar de cálidos átomos neutros;
hacía demasiado calor para la formación de átomos neutros, y el Universo era un plasma ionizado de núcleos y electrones;
hacía demasiado calor para la formación de núcleos, y solo había protones y neutrones libres;
hacía tanto calor que, como resultado de colisiones de partículas, se generaron pares de materia / antimateria para todas las partículas conocidas.

Es posible que desee ir aún más al pasado, a la densidad arbitraria, la temperatura e incluso a ese evento que corresponde a una singularidad: el momento en que todo el Universo estaba encerrado en un punto.



Y si eso fuera así, entonces el espacio y el tiempo comenzarían a partir de ahí, ya que no hay "dónde" fuera del espacio y "cuándo" fuera del tiempo. Pero tomando esta posición como el verdadero comienzo del Universo, nos encontraríamos con una gran cantidad de acertijos que no se podrían resolver. Ahora la física nos enseña que no puedes ir muy lejos en el pasado, y que el estado de la inflación, un espacio-tiempo que se expande exponencialmente, con la energía inherente al espacio mismo, precedió y condujo a ese estado cálido y denso, que llamamos el Big Bang.



De hecho, en el mismo momento en que la energía unida al espacio mismo se convierte en materia y radiación, y cesa la expansión exponencial, lo que conduce a la aparición de un universo como pensábamos que era en el pasado.



Y llegamos a la tercera pregunta, teniendo en cuenta las singularidades y el Big Bang: si el Universo antes del Big Bang, durante la inflación, consistiera en un espacio-tiempo en expansión exponencial, ¿de dónde vino este espacio-tiempo?

Curiosamente, hay tres respuestas intuitivas:

el universo podría tener un comienzo para el que no hubiera nada;
podría existir para siempre, como una línea interminable que se extiende en dos direcciones;
puede ser cíclico, como un círculo que se repite una y otra vez.



Si volvemos al concepto del Big Bang sin inflación previa, entonces todos los hechos hablan de la primera opción: el Universo nació en el "momento", cuando tenía energía infinita y en el mismo "momento" comenzó el espacio-tiempo.

Pero la inflación lo cambia todo. En lugar de la singularidad con t = 0, en el momento del Big Bang, aparece el Universo, que existe en un estado de inflación, cuando se expande exponencialmente durante un tiempo indeterminado.




Las líneas azul y roja representan la versión "tradicional" del Big Bang, cuando todo comienza en el tiempo t = 0, incluido el espacio-tiempo. Pero en la variante con inflación (amarillo) no llegamos a la singularidad. En cambio, el espacio puede ser arbitrariamente pequeño y el tiempo puede rebobinarse sin cesar.

Tal escenario es más adecuado para la segunda opción, es decir, el Universo eterno. Pero resulta que hay una trampa. Según un teorema, el Universo inflacionario no puede existir para siempre, y tuvo que comenzar desde una singularidad.



Es cierto que este teorema se basa en las leyes conocidas de la física, y se propone aplicarlas en el momento en que las leyes de la física dejen de funcionar. Además, aunque el Universo es enorme y contiene mucho de todo, la cantidad de materia en él aún no es infinita. Tiene alrededor de 1090 partículas (incluidos fotones y neutrinos) que se originaron durante el estado caliente y en expansión del Big Bang, e incluso 10-30 segundos antes, en los últimos momentos de inflación, y aún así, hay algunas cosas que no podemos observar.



Desafortunadamente, entre ellos está el origen del espacio-tiempo inflacionario.

No se sabe si todo lo anterior significa que el Universo inflacionario no podría existir para siempre, o que nuestras leyes de física no son aplicables a este tema, o que tuvo un comienzo, o que es cíclico ... Incluso es posible que el tiempo sea cíclico y los ciclos cambien con cada uno. iteración Y, a pesar de todo nuestro progreso, todavía tenemos tres de estas posibilidades que los filósofos y teólogos han estado discutiendo durante tanto tiempo:Por supuesto, el tiempo es infinito, el tiempo es cíclico .



Solo sabemos que si hubo una singularidad en el pasado, no tiene nada que ver con nuestro caliente y Big Bang, al que se puede rastrear cada partícula de materia y energía en el Universo observable.

Si no encontramos una manera de obtener información sobre el momento en que el Universo observable existió en algún sentido aceptable, la respuesta a esta pregunta puede resultar inalcanzable. No todas las preguntas en la columna "Pregúntele a Ethan" recibirán una respuesta inequívoca: discutimos solo lo que se conoce según los datos recopilados.

Source: https://habr.com/ru/post/es395501/

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