Pregúntele a Ethan No. 107: ¿Está la inflación asociada con la energía oscura?
La expansión exponencial del universo está teniendo lugar ahora, y otra ha estado sucediendo durante mucho tiempo. ¿Están relacionados?
La naturaleza no puede comprarse ni venderse, prestarse o copiarse. Es incomparable, inolvidable, desvergonzado, elemental como tierra y hielo, agua, fuego y aire, quintaesencia, espíritu puro, no descomponible en componentes.
- Jay Griffiths
Cada semana, mientras escribimos sobre milagros, tareas interesantes y difíciles, y nuevos descubrimientos en la naturaleza del Universo, tiene la oportunidad de enviarme preguntas y sugerencias para el número semanal de "Pregúntele a Ethan". Y aunque parece haber más y más preguntas cada semana, todavía se encuentran preguntas interesantes. Esta semana, el honor es para John Pashkov (la segunda vez), quien pregunta:¿Las fuerzas de inflación y la energía oscura están relacionadas de alguna manera? Sería muy extraño si hubiera dos fuerzas diferentes que causen la expansión del universo.
En el caso del Universo, gran parte de lo que está sucediendo parece muy extraño, eso es seguro.
En primer lugar, el Universo se está expandiendo sin ambigüedades. Pero para esto no necesita ningún poder. Si tomamos un universo como el nuestro, que:• Funciona bajo el control de la relatividad general de Einstein,• Lleno de materia, radiación y otras cosas,• Aproximadamente homogéneo en todas las direcciones y en todos los lugares,llegarás a una conclusión divertida e incómoda. Einstein lo alcanzó por primera vez en los primeros años de la existencia de la teoría de la relatividad: tal universo es esencialmente inestable con respecto al colapso gravitacional.
Es decir, sin aplicar ninguna corrección mágica, su universo se expandirá o disminuirá, y estas posibilidades son equivalentes. Lo que ella no puede hacer es permanecer sin cambios.Por supuesto, el trabajo de Edwin Hubble aún no se ha hecho. No solo no sabíamos que el Universo se estaba expandiendo, ni siquiera sabíamos si estos objetos espirales en el cielo son objetos dentro de nuestra Vía Láctea, o si se trata de galaxias separadas. Como a Einstein, como a la mayoría en ese momento, le gustaba más el Universo estático, inventó una corrección especial ad hoc para la estabilidad del Universo: una constante cosmológica.
La idea de la relatividad de Einstein es que la ecuación tiene dos lados: el que tiene materia y energía, y el que tiene espacio y tiempo. Ella argumenta que la presencia de materia y energía determina la curvatura y evolución del espacio-tiempo, y cómo el espacio-tiempo se curva y evoluciona, determina el destino de cada cuanto de materia y energía dentro de él.La adición de una constante cosmológica significaba que "hay un nuevo tipo de energía inherente en el espacio mismo, lo que hace que el tejido del universo se expanda a una velocidad constante". Por lo tanto, si había una fuerza gravitacional trabajando, debido a la presencia de materia y energía, al colapso del Universo, era posible tomar esta constante cosmológica trabajando para expandir el Universo y obtener un Universo estático. Todo lo que se requería era igualar estos dos valores para que se destruyeran mutuamente.
Resultó que el Universo se está expandiendo, y no necesita ninguna constante cosmológica para contrarrestar la gravedad. En su posición original, el Universo comenzó a expandirse muy rápidamente, lo que contrarrestó la fuerza de la gravedad de toda la materia y la energía. En lugar de compresión, el Universo se estaba expandiendo y la velocidad de expansión se desaceleró.Será natural hacer dos preguntas que se volvieron lógicas después de este descubrimiento en la década de 1920:1. ¿Qué causó una expansión tan rápida del Universo en sus primeras etapas?2. ¿Cuál será el destino del universo? ¿Se expandirá para siempre, su expansión volverá a volver a colapsar, estará en un estado límite o sucederá algo más?
La primera pregunta permaneció sin respuesta durante más de 50 años, aunque, curiosamente, Willem de Sitter sugirió casi de inmediato que la expansión se debe a la constante cosmológica.
Finalmente, a principios de la década de 1980, apareció la teoría de la inflación cosmológica, lo que sugiere la presencia de una fase temprana de expansión exponencial, cuando el universo estaba dominado por algo muy parecido a una constante cosmológica.Pero esto no podría ser una constante cosmológica real, también conocida como energía de vacío, ya que el Universo no permaneció en este estado para siempre. El Universo podría estar en un estado de falso vacío, cuando tenía algo de energía inherente en el espacio, que luego se extinguió a un estado de baja energía, lo que llevó a la aparición de materia y radiación: ¡un Big Bang caliente!
La inflación ha hecho otras predicciones, cuatro de las cuales ya han sido confirmadas, como resultado de lo cual aceptamos la existencia de una fase tan temprana del universo.Pasando a la segunda pregunta, con respecto al destino del Universo, encontramos algo extraño. Esperábamos encontrar algún tipo de carrera entre la rápida expansión inicial y la fuerza de gravedad que afecta a toda la materia y la radiación, y en su lugar encontramos inesperadamente una nueva forma de energía llamada oscuridad. ¿Y qué pensarías? Esta energía oscura, tal como la entendemos hoy, se ve exactamente como una constante cosmológica.
Pero hubo dos tipos de expansión exponencial, anterior y posterior, que varían mucho en detalle.• El período inicial de inflación en el Universo duró indefinidamente: quizás 10 -33 s, quizás casi sin fin, y la energía oscura de hoy ha dominado durante seis mil millones de años.• El período inicial de inflación en el Universo fue muy rápido, la expansión cosmológica fue 10 50 veces más rápida que hoy . Hoy, por el contrario, la energía oscura representa el 70% de la tasa de expansión.• Un estado temprano de alguna manera interactuaba con la materia y la radiación. A energías suficientemente altas, debe existir una cierta "partícula de inflación" si la teoría del campo cuántico no nos miente. La energía oscura de los últimos tiempos no contiene ningún tipo de interacción.Pero hay similitudes.
Ambos tienen la misma ecuación de estado, es decir, la relación entre la escala del universo y el tiempo.Ambos tienen la misma relación entre la densidad de energía y la presión en GR.Ambos conducen a una expansión exponencial del universo.
¿Pero están conectados? Es muy, muy difícil de decir. ¡Porque, por supuesto, que no los entendemos lo suficientemente bien! Personalmente, pensando en la inflación, me gusta imaginar una botella de refresco de dos litros medio llena. Me imagino que una gota de aceite flota en la superficie del líquido dentro de la botella. Este estado de alta energía se asemeja al universo durante la inflación.Entonces sucede algo que hace que el líquido se derrame de la botella. El petróleo se envía al fondo, en un estado de baja energía.
Pero si la caída no llega al fondo, permanecerá no en cero, sino en alguna marca final (como el campo de Higgs durante la ruptura de la simetría), puede causar la aparición de energía oscura. Los modelos que conectan estos campos, el campo de inflación y el campo de energía oscura se conocen como quintaesencia .Es bastante fácil crear un modelo por excelencia que funcione. El problema es que es igual de fácil crear dos modelos de trabajo separados: uno para la inflación y otro para la energía oscura. Tenemos dos nuevos fenómenos que requieren la introducción de al menos dos "parámetros libres" para que la teoría funcione. Se pueden conectar, no se puede conectar, pero estos modelos no se pueden distinguir entre sí.
Hasta la fecha, solo hemos podido excluir ciertas clases de modelos en los que la tasa de expansión en las etapas temprana o tardía no coincide con las observaciones. Pero las observaciones son consistentes con el hecho de que la inflación es en sí misma y que la energía oscura proviene de una fuente completamente diferente. Realmente no me gusta hablar sobre el conocimiento que hemos recibido de que la inflación ocurre a energías del orden de 10 15GeV, y energía oscura - a energías de aproximadamente 10-3 eV, y luego explique que "no sabemos si están conectados" - pero así es como es.Desafortunadamente, incluso con todos los experimentos propuestos, James Webb, WFIRST, LISA e ILC, no esperamos recibir una respuesta a esta pregunta en el futuro cercano. Queda por esperar un avance teórico. Yo mismo trabajé directamente en esta tarea, y puedo decir que no sé cuándo puede suceder.Source: https://habr.com/ru/post/es399443/
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