🆚 👨🏿‍🔬 ❓ El Universo Temprano 2. Cosmología de la inflación: ¿Es nuestro universo parte del multiverso? Parte 2 🚼 🌴 🥚

En el sitio de conferencias gratuitas, MIT OpenCourseWare publicó un curso de conferencias sobre la cosmología de Alan Gus, uno de los creadores del modelo inflacionario del universo.

Le ofrecemos una traducción de la segunda conferencia: “Cosmología inflacionaria. ¿Es nuestro universo parte de un multiverso? Parte 2 ".

Panorama de la inflación y la teoría de cuerdas
Quiero comenzar repitiendo brevemente lo que discutimos la última vez como parte de la conferencia de revisión que terminaremos hoy. Se da un resumen de la última conferencia en cinco diapositivas. Comenzamos discutiendo el Big Bang estándar, con lo que me refiero al Big Bang sin inflación. Noté que, de hecho, esta teoría describe solo las consecuencias de la explosión. Comienza con una descripción del universo como una sustancia caliente y densa de partículas que llena más o menos uniformemente todo el espacio disponible y se expande.

La inflación cósmica es una precuela del Big Bang. Ella describe cómo la gravedad repulsiva, que en la teoría general de la relatividad puede ser el resultado de la presión negativa, lleva una pequeña porción del universo temprano a un proceso de expansión exponencial gigantesca. Nuestro universo visible es el resultado de tal evento.

La energía total de dicho sitio puede ser muy pequeña e incluso puede ser exactamente cero. Esto es posible debido al hecho de que el campo gravitacional que llena el espacio tiene una contribución negativa a la energía. Hasta donde podemos juzgar, en nuestro universo real las contribuciones positivas y negativas son aproximadamente iguales entre sí. Pueden compensarse completamente entre sí. Por lo tanto, la energía total puede ser cero, lo que le permite crear un universo enorme, comenzando con nada o casi con nada.

El siguiente punto es evidencia de inflación. ¿Por qué creemos que hay una alta probabilidad de que nuestro universo haya experimentado inflación? He indicado tres razones. Primero, la inflación puede explicar la uniformidad del universo a gran escala. La homogeneidad a gran escala del universo es más pronunciada en la radiación cósmica de fondo de microondas. Vemos que es homogéneo con una precisión de cien milésimas. Si hacemos un ajuste para el movimiento de la Tierra, entonces su intensidad en todo el cielo es la misma con una precisión de cien milésimas, independientemente de la dirección.

En segundo lugar, la inflación puede explicar el hecho notable del valor de Ω, donde Ω es la densidad de masa real del universo dividida por la densidad de masa crítica, es decir. La densidad que hace que el universo sea completamente plano. Sabemos que en el primer segundo después del Big Bang, su relación era igual a la unidad con una precisión de aproximadamente 15 decimales. Antes de la inflación, no teníamos ninguna explicación para este hecho. Sin embargo, la inflación acerca a Ω a la unidad y nos da una explicación de por qué Ω al comienzo del Big Bang estaba tan cerca de la unidad.

De hecho, la inflación hace una predicción. Suponemos que si la teoría de la inflación es correcta, entonces Ω debería ser igual a 1. Ω se ha medido y se ha obtenido un valor de 1.0010 ± 0.0065, lo que me parece un resultado maravilloso. Finalmente, la inflación proporciona una explicación de las heterogeneidades que vemos en el universo. Ella los explica como fluctuaciones cuánticas que ocurrieron durante la inflación. Cuando terminó la inflación, las fluctuaciones cuánticas hicieron que la inflación en algunos lugares durara un poco más que en otros. Entonces aparecieron estas heterogeneidades.

En la actualidad, podemos medir estas heterogeneidades con gran precisión. Las heterogeneidades, por supuesto, son enormes a nivel de galaxias, aquí son obvias, pero son difíciles de asociar con el universo primitivo. Por lo tanto, podemos hacer la comparación más precisa entre lo que observamos y las teorías del universo primitivo al estudiar cuidadosamente la radiación de fondo cósmica, que no es completamente uniforme y tiene pequeñas fluctuaciones de intensidad. Estas fluctuaciones están en el nivel de cien milésimas, y actualmente podemos observarlas.

La inflación proporciona un pronóstico claro del espectro de estas fluctuaciones, cómo su intensidad debería variar dependiendo de la longitud de onda. La última vez te mostré un gráfico con los datos satelitales de Planck. La correspondencia entre predicción y teoría es sorprendente. Volveremos a esto cerca del final del curso.

Finalmente, en una conferencia anterior, comencé a hablar sobre las posibles consecuencias de la inflación, como el multiverso. Que nuestro universo puede integrarse en una entidad mucho más grande que consta de muchos universos, que llamamos multiverso. El punto clave es que la mayoría de los modelos tienden a conducir a una inflación perpetua. Una vez que comienza la inflación, la inflación nunca se detiene.

La razón de esto es esa materia metaestable, gravitacionalmente repulsiva, que causa inflación, descomposición, pero al mismo tiempo se expande exponencialmente. Para los modelos típicos, la expansión exponencial es mucho más rápida que la descomposición. Por lo tanto, a pesar del hecho de que esta materia inestable decae, su volumen total no disminuye realmente, sino que aumenta exponencialmente con el tiempo.

Sin embargo, ocurre la descomposición de la materia, y donde sea que tenga lugar la descomposición, se forma lo que llamamos el universo de bolsillo. Vivimos en uno de estos universos de bolsillo. El número de universos de bolsillo crece exponencialmente con el tiempo, a medida que crece todo el sistema, que continuará, hasta donde podemos juzgar, para siempre. Esta es la imagen multiverso a la que conduce la inflación.

Al final de la conferencia, hablé sobre un problema que es muy importante para nuestra comprensión moderna de la física y la cosmología. Este es el descubrimiento de la energía oscura. Alrededor de 1998, se descubrió que la expansión del universo no se ralentiza bajo la influencia de la gravedad, como cabría esperar, sino que se acelera. El universo se está expandiendo cada vez más rápido.

Esto indica que el espacio está actualmente lleno de materia gravitacionalmente repulsiva, que llamamos energía oscura. La explicación más simple para la energía oscura es simplemente la energía del vacío, la energía del espacio vacío. El espacio tiene una densidad de energía que tiene exactamente las propiedades que observamos. Por lo tanto, parece natural establecer una conexión entre la energía oscura y la energía del vacío.

La energía del vacío, al principio, puede parecer extraña. Si el vacío está vacío, ¿por qué debería tener una densidad de energía? Pero en la teoría del campo cuántico esto no es sorprendente, porque en la teoría del campo cuántico el vacío en realidad no está vacío. En la teoría cuántica de campos no existe el vacío real. En cambio, las fluctuaciones constantes del campo cuántico ocurren en el vacío. En el modelo estándar moderno de física de partículas, incluso hay un campo llamado campo de Higgs, que, además de las fluctuaciones, tiene un valor promedio distinto de cero en el vacío.

Por lo tanto, el vacío es una condición muy compleja. Es un vacío que se encuentre en el estado de la densidad de energía más baja posible, pero esta densidad no tiene que ser cero y no parece haber ninguna razón por la que deba ser cero. Por lo tanto, no hay ningún problema para explicar el hecho de que el vacío puede tener una densidad de energía distinta de cero. El problema surge cuando tratamos de comprender la magnitud de esta energía de vacío. Si el vacío tiene una densidad de energía, entonces, de acuerdo con nuestras suposiciones, debería ser mucho más grande que la que observamos en forma de aceleración de la expansión del universo.

Un orden de magnitud típico para la energía del vacío en la física de partículas es aproximadamente 120 órdenes de magnitud mayor que el número que se obtiene de acuerdo con la aceleración observada de la expansión del universo. Este es un gran problema. Comenzamos a discutir una posible solución a este problema. Esta es solo una posible solución, nadie dice que sea absolutamente cierto. Esta decisión se basa en la teoría de cuerdas y, en particular, en una idea llamada panorama de la teoría de cuerdas.

La mayoría de los teóricos de cuerdas creen que la teoría de cuerdas no tiene un vacío único. En cambio, hay un número colosal, alrededor de ^10,500
varios estados metaestables, que, a pesar del hecho de que son metaestables, de larga vida, larga vida en comparación con la edad de nuestro universo. Por lo tanto, cualquiera de estos ^10,500 estados diferentes puede servir como un vacío para uno de los universos de bolsillo.

Además, cualquier estado de vacío del paisaje puede realizarse en algún tipo de universo de bolsillo, incorporando así en realidad todas las posibilidades que surgen en la teoría de cuerdas. Cada tipo de vacío tiene su propia densidad de energía, porque en la teoría cuántica de campos surgen contribuciones positivas y negativas.

La energía de vacío de un estado típico puede ser positiva o negativa. Para estos ^10,500 vacíos diferentes, el rango de densidades de energía varía de -10 ¹²⁰ a +10 ¹²⁰ valores observados. El valor observado está en este rango, pero es una parte extremadamente pequeña de los valores posibles.

ESTUDIANTE: El rango de -10 ¹²⁰ a +10 ^{120 se} elige simplemente porque vemos una diferencia de 120 pedidos, ¿o hay otras razones?

PROFESOR: Cuando hablamos de una diferencia de 120 órdenes de magnitud, una afirmación más precisa es que la estimación de un rango de energía típico es 10 ¹²⁰ veces el valor observado. De hecho, 10 ¹²⁰ es exacto solo dentro de unos pocos órdenes de magnitud, 10 ¹²³ es probablemente un número un poco más preciso. Pero para nuestros propósitos esto es suficiente.

ESTUDIANTE: Una pregunta general sobre las propiedades de la inflación. Creemos que la gravedad atractiva controla el movimiento de los objetos en el espacio. Entonces, ¿por qué pensamos que la gravedad repulsiva controla la expansión del espacio mismo?

MAESTRO: Ella se comporta de manera diferente. La gravedad repulsiva que aparece en la teoría general de la relatividad no es solo la gravedad ordinaria con el signo opuesto. Si tenemos dos cuerpos, entonces la gravedad ordinaria hace que se atraigan entre sí con una fuerza proporcional a las masas de estos objetos. La gravedad repulsiva es un efecto causado por la presión negativa en el espacio entre ellos. Por lo tanto, si hay dos cuerpos, comenzarán a acelerarse entre sí en una cantidad que es completamente independiente de sus masas.

La gravedad repulsiva no es creada por las masas. Este poder es completamente diferente, por lo que simplemente no podemos compararlos. En cualquier caso, cuando todo se aleja el uno del otro, es una cuestión del punto de vista si considerar tal movimiento como una extensión del espacio o considerarlo como el movimiento de objetos a través del espacio. En la teoría de la relatividad no hay forma de clavar una aguja en el espacio, fijarla con un alfiler y decir que está inmóvil. Entonces no podemos decir si el espacio se mueve o no.

En cosmología, una imagen suele ser más simple, en la que el espacio se expande con la materia, y usualmente usaremos dicha imagen. Esto da una descripción mucho más simple de lo que está sucediendo. Buena pregunta

ESTUDIANTE: ¿Por qué la energía en el universo primitivo parecía estar cerca de cero? ¿Existen modelos teóricos que puedan explicar o predecir que es exactamente cero?

MAESTRO: Sí, hay tales teorías. Esto sucede en el caso de un universo cerrado. Incluso si el universo es casi plano, aún puede cerrarse. Si está cerrado, debe tener exactamente cero energía.

ESTUDIANTE: El fondo cósmico de microondas es el mismo en todas las direcciones. Esto implica que el principio cosmológico es válido para todo el universo. ¿Es posible que, en realidad, a gran escala, el universo sea heterogéneo, que en realidad sea como irregular, solo que las manchas sean muy grandes? ¿Qué estamos realmente en ese lugar, y es diferente de otros lugares que están muy lejos?

MAESTRO: Por supuesto que puede, si la imagen del multiverso es correcta. Ella predice exactamente esto. Otros universos de bolsillo pueden considerarse como otros puntos, utilizando su terminología, y serán muy diferentes de lo que observamos.

Por lo tanto, la inflación cambia la actitud hacia este tema. Anteriormente, antes de la inflación, la homogeneidad del universo no tenía explicación, por lo que era un postulado. Nadie postuló que el universo es homogéneo en ciertas escalas. Si se hace un postulado, simplemente se afirma que el universo es homogéneo, y se utilizó dicho postulado.

Pero ahora, cuando consideramos que la uniformidad del universo es causada por un proceso dinámico, la inflación, entonces es natural hacer la pregunta, ¿qué tamaño de uniformidad crea la inflación? Esto, por supuesto, es un tamaño que es mucho más grande de lo que podemos observar. Por lo tanto, realmente no tenemos la intención de ver la heterogeneidad causada por varios focos de inflación. Pero el modelo inflacionario hace muy plausible que los veamos si pudiéramos ver lo suficiente.

ESTUDIANTE: Si el universo se está expandiendo y nosotros también nos estamos expandiendo, ¿cómo podemos observar un cambio en las distancias?

MAESTRO: Una muy buena pregunta. Puede parecer que si el universo se expande, entonces todo debería expandirse. Y si todo se expande, luego midiendo algo con una regla, obtenemos la misma longitud. ¿Cómo vemos que todo se está expandiendo? La respuesta a esta pregunta es que expandir el universo no significa realmente que todo se está expandiendo. Cuando dicen que el universo se está expandiendo, significan que las galaxias se están separando más, pero los átomos individuales no aumentan.

La longitud de la regla, determinada por el número de átomos y su tamaño, no aumenta con el universo. Actualmente, la expansión se debe en parte a la gravedad repulsiva, que hace que el universo se expanda rápidamente. Pero básicamente la expansión ahora es solo la velocidad residual del Big Bang. En este caso, la sustancia simplemente se mueve en el espacio, y este movimiento no hace que los átomos se agranden.

ESTUDIANTE: ¿Cuál es el futuro de nuestro universo? ¿Se expandirá indefinidamente o se detendrá en algún momento?

PROFESOR: Como probablemente adivinen, nadie lo sabe realmente. Pero los modelos de los que hablo dan una respuesta definitiva a nivel de nuestro universo de bolsillo y a nivel de todo el multiverso. A nivel de nuestro universo de bolsillo, nuestro universo se adelgazará. La vida finalmente se volverá imposible, porque la densidad de la materia se volverá demasiado pequeña.

Quizás el universo decaerá. Nuestro vacío puede no ser completamente estable. Muy pocas cosas son estables en la teoría de cuerdas si la teoría de cuerdas es la teoría correcta. Pero incluso si el vacío decae, se expandirá aún más rápido de lo que decae. Entonces la descomposición conducirá a agujeros en nuestro universo. Se verá como el queso suizo. Pero el universo en su conjunto simplemente se expandirá exponencialmente, hasta donde podamos juzgar, para siempre.

El multiverso es un objeto más interesante. El multiverso, como dije, creará constantemente nuevos universos de bolsillo. El multiverso estará vivo para siempre, incluso si se forma cada universo de bolsillo en el multiverso, y luego finalmente muere, muere por adelgazamiento completo y se convierte en nada.

ESTUDIANTE: Además de la pregunta anterior. ¿Permiten la posibilidad de un proceso cíclico? Es decir el universo se expande, alcanza su máximo, luego comienza a encogerse, se derrumba y luego comienza a expandirse nuevamente, ¿y todo se repite?

MAESTRO: Ciertamente existe tal oportunidad, y hay personas que lo toman muy en serio. No veo ninguna evidencia de esto. Además, nunca ha habido y todavía no hay una teoría razonable del rebote, que debería ser parte de esta teoría.

ESTUDIANTE: ¿Qué, además de la constante cosmológica, son las diferentes aspiradoras diferentes?

MAESTRO: Pueden variar de muchas maneras. Difieren fundamentalmente entre sí en cómo se organiza su estructura interna en el espacio. Si no entra en detalles que yo mismo no entiendo completamente, entonces la teoría de cuerdas afirma que el espacio tiene nueve dimensiones, y no tres que observamos. Nueve dimensiones se convierten en tres debido al hecho de que las dimensiones adicionales se tuercen en pequeños nódulos que son demasiado cortos para ser vistos.

Sin embargo, hay muchas formas diferentes de torcer estas dimensiones adicionales, y esto conduce a una gran cantidad de posibles aspiradoras. Las medidas adicionales se pueden torcer de diferentes maneras. Esto significa que la física de baja energía en estas aspiradoras puede ser muy diferente. Casi todo puede ser diferente, incluso la dimensión del espacio puede ser diferente, porque puede tener un número diferente de dimensiones retorcidas.

El conjunto de partículas puede ser completamente diferente, porque lo que consideramos una partícula es en realidad solo una fluctuación del vacío.Si tiene una estructura diferente del vacío en sí, los tipos de partículas que existen pueden ser completamente diferentes. Por lo tanto, la física dentro de otro universo de bolsillo puede ser muy diferente de lo que observamos, a pesar de que asumimos que, en última instancia, las mismas leyes de la física se aplican en todas partes.

ESTUDIANTE: Si inicialmente en la región que comenzó la expansión inflacionaria había solo unas pocas partículas, entonces, cuando esta región se convierta en un universo enorme, ¿tendrá también solo unas pocas partículas?

PROFESOR: El recuento de partículas no se puede guardar. Cuando una de las regiones se expande exponencialmente durante la inflación, la energía en ella no se describe bien en lenguaje de partículas. Se describe en términos de campos. Los campos a veces se comportan como partículas, pero no siempre. En principio, hay una descripción en términos de partículas, pero no es tan obvio como una descripción en términos de campos.

Por lo tanto, hay energía que consiste en varios campos, mientras que la región está creciendo. La energía almacenada en estos campos aumenta a medida que la región se expande. La densidad de energía permanece aproximadamente constante. Esto parece ser una violación de la ley de conservación de la energía, pero como dijimos, una región en expansión se llena con un campo gravitacional, que ocupa un volumen cada vez mayor, y el campo gravitacional tiene una densidad de energía negativa. Por lo tanto, la energía total que debe conservarse sigue siendo muy pequeña y posiblemente cero. Además, la región puede crecer sin restricciones, aún teniendo esta energía total muy pequeña o nula.

Luego, al final, la región se rompe. Cuando se descompone, nacen nuevas partículas, una gran cantidad de partículas nuevas. Esta es la sustancia de la que estamos hechos. Hay significativamente más partículas nuevas que la cantidad de partículas que había en la región cuando comenzó la inflación.

ESTUDIANTE: ¿Entonces todo lo que sucede durante la inflación está determinado por la ley de conservación de la energía?

MAESTRO: Me parece que esto es una exageración, porque si no pasara nada, entonces la energía también se ahorraría. Por lo tanto, para describir el desarrollo del universo, necesita algo más que la conservación de energía.

Principio antrópico
Continuemos. Me decidí por el panorama de la teoría de cuerdas y cómo forma todos estos posibles vacíos. La teoría de cuerdas tiene ^10,500 aspiradoras diferentes. Realmente no sabemos la cantidad exacta, pero es aproximadamente igual a este gran número. Y solo ^10-120 aspiradoras del número total tienen muy poca energía. Por lo tanto, la densidad de energía se distribuye de +10 ¹²⁰ a -10 ¹²⁰ de la energía de vacío que observamos.

Esto significa que la energía que observamos es solo en un corte estrecho en el medio, ocupando 10 ^-120El ancho de toda la distribución. Todos estos, por supuesto, son estimaciones muy aproximadas. Lo que importa no es la cantidad, sino si está de acuerdo con la idea. Suponemos que aproximadamente ^10-120 aspiradoras diferentes tendrán una densidad de energía bastante baja.

Pero al mismo tiempo todavía habrá una gran cantidad de tales aspiradoras, porque 10 ^{-120 por} 10 ⁵⁰⁰ resulta 10 ³⁸⁰ . Aunque tales aspiradoras serán muy raras, hay ^10,380varios tipos de aspiradoras, todas las cuales tienen una densidad de energía de vacío observable. Por lo tanto, en el panorama de la teoría de cuerdas no hay problema para encontrar un vacío cuya densidad de energía sea tan baja como la que observamos. Pero entonces surge la pregunta, si son tan increíblemente raros, ¿no es un milagro que vivamos en una de estas aspiradoras inusuales con una densidad de energía tan extremadamente baja?

Esto conduce a lo que a veces se denomina principio antrópico o efecto de selección. Para mostrar cómo funciona esto para que no suene tan loco como podría parecer, quiero comenzar con un ejemplo en el que creo que realmente se puede decir que este efecto está sucediendo. Solo veamos nuestra posición en nuestro propio universo visible y prestemos atención, por ejemplo, a la densidad de masa.

El lugar donde vivimos es muy inusual en muchos sentidos, pero uno de los parámetros que es simple y cuantitativo es la densidad de masa. La densidad de los objetos alrededor de esta habitación es de aproximadamente un gramo por centímetro cúbico, tal vez 10 veces más o menos. El factor 10 no es muy importante para lo que hablaré.

El hecho es que la densidad de masa promedio del universo visible es de aproximadamente ^10-30 gramos por centímetro cúbico. Es increíble lo vacío que está el universo. Esta es una densidad mucho más baja que la que podemos lograr en laboratorios en la Tierra con mejores sistemas de vacío.

En el lugar donde vivimos, densidad de masa de 10 ³⁰veces mayor que la densidad promedio del universo visible. Entonces no vivimos en el lugar típico de nuestro universo visible. Vivimos en un lugar extremadamente atípico. Uno puede preguntarse cómo explicar esto. ¿Es solo una coincidencia que vivamos en un área con una densidad de masa tan alta? Si se trata de una casualidad, entonces no parece muy probable. ¿Eso es suerte? ¿Es la providencia divina o qué?

Creo que la mayoría de ustedes estará de acuerdo en que esto es muy probablemente un efecto de selección. Este es el lugar donde surge la vida. La vida no surge en la mayoría del universo visible. Aparece en lugares raros, como la superficie de nuestro planeta, que es especial en muchos aspectos, pero solo la densidad de masa es suficiente para hacerlo extremadamente especial. Diferimos en 10 ³⁰ tiempos del valor promedio de nuestro medio ambiente.

Si explicamos por qué vivimos en un lugar tan inusual en nuestro universo visible, simplemente por los requisitos de la vida, entonces no es tan difícil extender aún más esta idea. Steve Weinberg llamó la atención por primera vez sobre esto en 1987. Por supuesto, él no fue el primero en expresar esta idea, pero fue el primero en quien los demás al menos creyeron un poco.

Señaló que la baja densidad de energía del vacío puede explicarse de manera similar. Si vivimos en un lugar atípico dentro de nuestro universo visible, tampoco hay razón para esperar que vivamos en un lugar típico del multiverso. Quizás solo una pequeña fracción de los diversos tipos de universos de bolsillo puede sostener la vida. Quizás la única forma de tener vida es tener una densidad de energía de vacío muy baja.

Detrás de esto hay algo de física. Recuerde que la densidad de energía de un vacío acelera la expansión. Por lo tanto, si la densidad de energía del vacío fuera mucho mayor de lo que estamos observando, el universo se expandiría increíblemente rápido y se separaría antes de que llegara el momento de algo interesante, por ejemplo, para la formación de galaxias. Weinberg basó sus argumentos en el supuesto de que las galaxias son una necesidad para el surgimiento de la vida.

Si la densidad de energía del vacío fuera significativamente mayor de lo que estamos observando, el universo se volaría tan rápido que las galaxias nunca podrían formarse. En consecuencia, no habría planetas, nada que esté conectado con la vida que conocemos.

Por el contrario, si la densidad de energía del vacío fuera negativa, pero tuviese un valor mayor en comparación con lo que estamos observando, surgiría una gran aceleración negativa. Tales universos simplemente se encogerán, colapsarán en muy poco tiempo, demasiado rápido para que la vida de cualquier tipo que conozcamos tome forma. Por lo tanto, hay un argumento físico que afirma que la vida se forma solo cuando la densidad de energía del vacío es muy pequeña.

Weinberg y sus colegas calcularon cuáles deberían ser los requisitos para la formación de galaxias. Resultó que para que se formen galaxias, la densidad de energía de vacío no debe exceder la densidad de energía observada en aproximadamente 5 veces. Esta puede ser una posible explicación. Aunque esto, por supuesto, no es una explicación generalmente aceptada y es muy controvertido.

Algunos físicos aceptan esta idea de selección. Me inclino a aceptarlo. Pero muchos físicos lo consideran absolutamente absurdo, diciendo que tales argumentos pueden explicar cualquier cosa. Y hay algo de verdad en esto. Puede explicar mucho, si lo desea, simplemente afirmando que esto es necesario para el surgimiento de la vida.

Por lo tanto, en mi opinión, los argumentos del efecto de selección o principio antrópico siempre deben considerarse como argumentos de última esperanza. Es decir, hasta que comprendamos el panorama de la teoría de cuerdas, y no lo comprendamos en detalle, y hasta que realmente comprendamos lo que se requiere para crear vida, realmente no podemos hacer nada más, que dar argumentos plausibles al principio antrópico.

Pero estos argumentos suenan razonables. Creo que no hay nada ilógico en ellos, bien pueden ser explicaciones de algunas cosas. Como señalé, esto explica por qué vivimos en un lugar tan inusual en nuestro propio universo visible. Los argumentos para el efecto de selección se vuelven muy atractivos cuando falla la búsqueda de explicaciones más directas. En el caso de un intento de explicar la muy baja densidad de energía del vacío, otras explicaciones no tuvieron éxito. No tenemos una comprensión cuantitativa y directa de por qué la energía de un vacío debería ser tan pequeña.

¿Es hora de aceptar esta explicación de la última esperanza de que la densidad de energía del vacío sea tan pequeña, simplemente porque es necesario para que la vida se desarrolle? Realmente no lo sé. Pero diré que en el caso de una baja densidad de energía de vacío, las personas han estado tratando muy, muy duro durante varios años, de encontrar una explicación para esto en la física de partículas elementales, y nadie ha encontrado nada que otros consideren aceptable. Entonces este es ciertamente un problema muy serio. Creo que ha llegado el momento de tomar en serio el argumento de la última esperanza. Que la densidad de energía del vacío es baja solo porque en aquellas partes del multiverso donde esto no es así, nadie vive. Me parece que el efecto de selección es la explicación más plausible que se conoce actualmente.

Resumamos lo que aprendimos. He demostrado que el paradigma inflacionario está ahora en excelentes condiciones. Explica la uniformidad del universo a gran escala. Predice la densidad de masa del universo con una precisión del 1% y explica las oscilaciones que vemos en la radiación de fondo cósmico, tratándolas como el resultado de las fluctuaciones cuánticas que ocurrieron en el universo más antiguo.

La imagen inflacionaria conduce a tres ideas que indican la posibilidad de un multiverso. Esto, por supuesto, no es una prueba de que vivimos en un multiverso, pero no obstante. En primer lugar, es la afirmación de que casi todos los modelos inflacionarios conducen a la idea de la inflación perpetua, que la expansión exponencial de la materia inflacionaria está por delante de la descomposición de esta materia, de modo que su volumen crece para siempre y exponencialmente.

El segundo punto es que en 1998 los astrónomos descubrieron el sorprendente hecho de que la expansión del universo no se ralentiza a medida que se expande, sino que se acelera. Esto indica que en el universo debe haber alguna materia especial, diferente de la sustancia que ya conocemos, y esta materia especial se llama energía oscura. No tenemos una interpretación simple de lo que es, pero lo más probable es que sea energía de vacío. Si es así, esto lleva inmediatamente a la importante pregunta de por qué importa esta energía, que observamos. Aparentemente, es mucho más pequeño de lo que cabría esperar.

Y en tercer lugar, los teóricos que estudian la teoría de cuerdas nos dan una explicación interesante. Dicen que quizás, de acuerdo con las leyes de la física, no existe un vacío único, pero hay una gran cantidad de vacíos diferentes que predice la teoría de cuerdas. Si esto es así, entonces asumimos que entre muchas aspiradoras diferentes habrá una gran cantidad de aquellas que tienen una densidad de energía muy baja. Constituyen una fracción insignificante del número total de aspiradoras diferentes, pero, sin embargo, hay bastantes. Entonces, la idea del efecto de selección puede dar una posible explicación de por qué vivimos en una de esas aspiradoras tan inusuales que tienen esta densidad de energía increíblemente baja.

Quiero terminar con una pequeña historia. ¿Cuánto se toman realmente en serio todo esto los físicos? Te contaré sobre la conversación que tuvo lugar en la conferencia hace varios años. Comenzaré con Martin Reese. Este es un astrónomo del Reino Unido, ex presidente de la Royal Society, ex director del Trinity College, muy respetado y, por cierto, una buena persona. Dijo que tenía la suficiente confianza en el multiverso como para poner la vida de su perro en él.

Andrew Linde de Stanford, un verdadero entusiasta de la idea del multiverso, también uno de los fundadores de la teoría de la inflación, dijo que tenía la suficiente confianza en el multiverso como para poner su vida en ello. Steve Weinberg no estuvo en esta conferencia, pero escribió un artículo que se conoció más tarde, comentando sobre esta discusión. ¿Qué crees que estaba listo para entregar? Dijo que tenía tanta confianza en el multiverso que estaba listo para poner sobre ella la vida de Andrei Linda y la vida del perro Martin Reese.

Esto concluye nuestra breve revisión. ¿Hay alguna pregunta antes de comenzar, al verdadero comienzo de nuestro curso?

ESTUDIANTE: El efecto de selección afirma que Ω es 1, y la energía de vacío es mucho menor de lo que puede ser, solo porque la vida existe dentro de estas limitaciones, que la vida solo puede existir de esta manera. Pero estamos considerando la vida basada en el carbono. ¿Qué pasa si hay otras formas de vida que le permiten tener diferente energía, densidad, etc.?

MAESTRO: Sí, lo que usted señala, por supuesto, es la gran debilidad del argumento del efecto de selección. Realmente conocemos la vida basada en el carbono, una vida similar a la nuestra, y podemos hablar sobre las condiciones necesarias para tal vida. Pero tal vez hay una vida que es completamente diferente de la nuestra, de la cual no sabemos nada, y que puede existir en condiciones completamente diferentes. Esto es realmente una debilidad.

Sin embargo, quiero decir, aunque esto también se puede discutir, y no todos estarán de acuerdo conmigo, pero surge una situación similar si queremos explicar las características inusuales de esa parte del universo en el que vivimos. Digamos, usando el ejemplo que usé antes, que vivimos en un lugar donde la densidad de masa es 10-30 veces mayor que el promedio. Si estamos listos para usar los argumentos del principio antrópico para explicar esto, entonces creo que aquí surgen los mismos problemas.

Si en el universo, en realidad, otra vida es abundante, floreciendo en el vacío, entonces tendríamos muchas más posibilidades de ser uno de ellos que convertirse en una criatura extremadamente inusual que vive en la superficie del planeta. Por lo tanto, creo que esta es una posible debilidad que debe tenerse en cuenta, pero no creo que esto deba prohibirnos por completo usar estos argumentos. Aunque esta es sin duda una ocasión para el escepticismo.

ESTUDIANTE: Usted mencionó la última vez que los diversos universos de bolsillo que componen el multiverso están separados entre sí, aunque emergen como pequeñas regiones en el vacío original. ¿Cómo se separan el uno del otro? Si todos se forman en el mismo espacio, ¿no permanecen en este espacio?

PROFESOR: Realmente permanecen, pero el espacio en el que se forman se está expandiendo muy rápidamente. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, aunque no siempre en la realidad, se formarán dos universos de bolsillo lo suficientemente lejos el uno del otro como para no tocarse nunca a medida que crecen, porque el espacio entre ellos se expande demasiado rápido para permitirles para cumplir

Sin embargo, se producirá una colisión de universos de bolsillo si dos universos de bolsillo se forman lo suficientemente cerca uno del otro. La expansión del espacio entre ellos no será suficiente para separarlos unos de otros, y colisionarán. Con qué frecuencia sucede esto es una pregunta extremadamente difícil para la que nadie sabe la respuesta. Hay al menos un artículo de un grupo de astrónomos que han buscado posibles signos de una colisión de universos en el pasado. No encontraron nada definitivo. Pero esto es lo que necesita pensar, y esto es lo que la gente piensa. Las publicaciones en realidad contienen mucho trabajo sobre las colisiones de universos.

ESTUDIANTE: Cuando dijo "longevo", ¿a qué hora se refería con eso?

MAESTRO: He usado la palabra "larga vida" en al menos dos contextos. Hablé de un vacío metaestable de larga vida. Aquí, por larga vida, quise decir mucho en comparación con la edad de nuestro universo desde el Big Bang. Aquí, largo significa mucho en comparación con 10 ¹⁰ años.

También dije que si la energía de vacío del universo fuera grande y negativa, el universo colapsaría muy rápidamente. Esto puede suceder en ^10-20 segundos. Esto puede suceder muy rápidamente dependiendo de qué tan grande sea la constante cosmológica.

ESTUDIANTE: Leí que existe tal efecto cuando diferentes observadores pueden ver el vacío de diferentes maneras. Por ejemplo, si un observador en un sistema inercial ve un vacío, otro observador que está acelerando en relación con este observador verá partículas, un gas caliente. ¿Cuánto observamos este efecto debido al hecho de que el universo se está expandiendo rápidamente y posiblemente estamos acelerando con respecto a cierto vacío?

PROFESOR: En realidad estás lidiando con un tema muy controvertido. Dijiste que escuchaste que si llevas a un observador acelerador moviéndose a través del vacío, entonces este observador acelerador vería algo diferente al vacío. Vería partículas que parecen tener una temperatura que puede calcularse y que está determinada por la aceleración.

La pregunta es qué de lo que vemos realmente existe en la realidad, y qué es causado por nuestro propio movimiento. No sé la respuesta exacta a esta pregunta. Pero cuando surgen tales preguntas, generalmente creemos que un observador que se mueve libremente en realidad significa un observador que se mueve libremente en un campo gravitacional, o como a veces dice un observador geodésico. Tal observador determina esencialmente lo que se puede llamar realidad. Entonces podemos calcular lo que observan los observadores acelerados en relación con esta realidad.

Somos prácticamente observadores geodésicos. La tierra nos presiona, lo que viola ligeramente nuestra inercia. Pero en una escala cósmica, donde todo se compara con la velocidad de la luz, somos esencialmente observadores inerciales o geodésicos.

ESTUDIANTE: Tengo una pregunta filosófica. No podemos observar otros universos. Supongamos que tenemos una teoría, como la inflación, que hace muchas predicciones. Y ella también hace una predicción de la existencia del multiverso. Pero no podemos verificar empíricamente si esto es cierto o no, lo más probable es que nunca obtengamos una respuesta. Si vamos a ser empiristas estrictos, ¿vale la pena tratar este problema?

PROFESOR: Esto también se discute en la comunidad científica, y las personas aceptan ambos puntos de vista. Hay un punto de vista al que me inclino, que no necesariamente todos los aspectos de nuestras teorías pueden ser probados. Si toma una teoría, incluso la gravedad newtoniana, puede imaginar las consecuencias de la gravedad newtoniana, que nadie ha probado nunca.

Por lo tanto, creo que en la práctica, deberíamos aceptar teorías que hayan hecho suficientes predicciones que probamos para que la teoría se vuelva convincente. En este caso, al mismo tiempo debemos tomar en serio las consecuencias de la teoría que no pueden verificarse directamente.

En cuanto a otros universos de bolsillo. Aunque es poco probable, muy poco probable, extremadamente improbable que alguna vez encontremos evidencia de observación directa de la existencia de otro universo de bolsillo, en teoría, esto no es imposible, porque los universos de bolsillo, en principio, pueden colisionar. Por lo tanto, podemos, en principio, encontrar evidencia de que nuestro universo en el pasado tuvo contacto con otro universo de bolsillo.

ESTUDIANTE: ¿Qué determina la estabilidad de un estado particular de vacío? ¿Son las aspiradoras de mayor energía menos estables que las aspiradoras de baja energía?

PROFESOR: Hasta donde yo sé, realmente existe una tendencia a que las aspiradoras de alta energía sean menos estables y las aspiradoras de baja energía sean más estables. Pero no es tan simple. Hay muchos parámetros independientes de la densidad de energía.

ESTUDIANTE: Si nuestro universo tiene una densidad de energía tan pequeña en relación con el promedio, ¿significa esto que también será mucho más duradero que el promedio?

MAESTRO: Creo que sí. Pero esto no cambia la imagen del queso suizo que describí para nuestro futuro final. Simplemente cambia la tasa de descomposición. Pero dado que el futuro del universo de bolsillo, si esta imagen es verdadera, será infinita, se producirán desintegraciones sin importar cuán pequeña sea la probabilidad. De hecho, ocurrirá un número infinito de desintegraciones.

Debemos seguir adelante, incluso si todavía hay preguntas. Todavía tenemos todo un semestre por delante para discutir todo esto.

Entonces, comenzaremos el curso discutiendo la ley de Hubble, aunque la ley de Hubble nos llevará rápidamente a la cuestión del sesgo Doppler, del que hablaré principalmente hasta el final de hoy y la mayor parte de la próxima conferencia. La ley de Hubble es una ecuación simple v = H ∙ r , donde v es la tasa de eliminación de cualquier galaxia típica.

La ley de Hubble no es una ley exacta; las galaxias individuales se desvían de la ley de Hubble. Pero, en principio, la ley de Hubble dice cuál es la velocidad de extracción de una galaxia, al menos con una precisión razonable. H a menudo se llama la constante de Hubble. A veces se le llama parámetro de Hubble.

El problema con el nombre "constante de Hubble" es que no es una constante durante la vida del universo. Es constante durante toda la vida del astrónomo, pero no es constante durante toda la vida del universo. Hablaremos principalmente de universos, no de astrónomos. Incluso a lo largo de nuestra historia, esto no es una constante, porque la estimación de la constante de Hubble ha cambiado unas 10 veces desde la estimación inicial de Hubble.

r en la ecuación es la distancia a la galaxia. Si nos fijamos en las notas de la conferencia hace dos años, comienzan con el hecho de que la Ley de Hubble fue descubierta por Hubble en 1929. Cuando comencé a revisar mis notas este año, me di cuenta de que había escuchado que esta declaración era controvertida. Casi todo en cosmología es controvertido, e incluso esta afirmación es controvertida.

Se cree que, de hecho, Lemeter y no Hubble merece el honor de descubrir la ley de Hubble. Hay algunas razones para esta declaración. Algunos historiadores son aficionados, me parece que a menudo se los menciona en la prensa, dicen que sabemos sobre las obras de Lemaitre principalmente por la traducción realizada en 1931 de su trabajo en 1927, donde escribió sobre los fundamentos de la cosmología.

Resultó que, al parecer, varios puntos significativos del artículo francés de 1927, puntos sobre la constante de Hubble, por alguna razón no cayeron en la traducción al inglés de 1931. Durante un tiempo pareció un juego sucio, hubo acusaciones de que Hubble o los amigos de Hubble no incluyeron estos puntos durante la traducción del artículo.

Es cierto que finalmente fue encontrado hace un par de años por un físico llamado Mario Livio, que estudió los archivos de cartas astronómicas mensuales. Resultó que el mismo Lemeter eliminó estos puntos.

Los párrafos dieron principalmente una estimación numérica de la constante de Hubble, pero para 1931 el artículo de Hubble ya había sido publicado. Lemeter entendió que en su artículo solo había una estimación menos precisa del mismo valor que Hubble indicó, por lo que la cortó de su traducción. Sin embargo, por supuesto, es cierto que Lemeter sabía sobre la ley de Hubble por consideraciones teóricas, ya que Lemeter estaba construyendo un modelo de un universo en expansión.

No sé si realmente fue la primera persona que se dio cuenta de que el modelo en expansión del universo da lugar a una relación lineal entre velocidad y distancia, pero él, por supuesto, lo sabía, entendió la ley de Hubble y dio una estimación basada en datos de observación. Sin embargo, no trató de utilizar datos de observación para mostrar que existe una relación lineal. En esos párrafos que no se han traducido, Lemeter simplemente observó un gran grupo de galaxias, calculó el valor promedio para v , el valor promedio para r y determinó H dividiendo los dos valores promedio. Pero admitió que, de hecho, no había suficientes datos buenos para decir si la relación es lineal.

Creo que es justo decir que Hubble es la persona que realmente hizo el argumento, al principio bastante débil, pero luego cada vez es más convincente que hay evidencia astronómica de una relación lineal entre velocidad y distancia. Entonces, lo más probable es que la ley se siga llamando la ley de Hubble. Si observa cómo se llama en Wikipedia, verá que ambas opciones son aceptables en este momento, pero los artículos de Wikipedia están cambiando rápidamente, por lo que veremos lo que escribe el próximo año. Además, probablemente deberíamos estar orgullosos de Lemeter. A menudo se escribe que Lemeter era un sacerdote belga, pero también era estudiante en el MIT, tenía un doctorado en filosofía del MIT, que recibió en 1927.

Puedes leer su disertación. Cuando escribí mi libro, recuerdo cómo fui al archivo del MIT, tomé su disertación y la leí. De hecho, no es fácil de escribir, pero sí interesante. Aunque recibió su doctorado en el MIT, resultó que hizo la mayor parte de su trabajo en el Harvard College Observatory. Pero el Observatorio del Harvard College en ese momento no daba títulos. Era solo un observatorio. Quería obtener un título, por lo que se inscribió en el MIT, escribió una disertación y recibió un Ph. D.

La ley de Hubble es una indicación de que el universo se está expandiendo. Einstein propuso originalmente un modelo del universo que era estático. Y fue Hubble quien convenció a Einstein de que, según las observaciones, el universo no es estático, sino que obedece su ley de expansión.

Esto creó la teoría de un universo en expansión. Hoy quiero hablar sobre cómo medir v , velocidad en la ley de Hubble. También hay mucha discusión sobre cómo medir r , distancia. Creo que esto está bastante bien descrito en el libro de Steve Weinberg. Quiero darle un estudio independiente del libro de Steve Weinberg para descubrir cómo se estiman las distancias a galaxias distantes. En términos generales, se estiman encontrando objetos en galaxias distantes, cuyo brillo, como piensan, ya saben, de una forma u otra.

La dificultad es entender para qué objetos estamos seguros de que conocemos su brillo. Para tales objetos hay un nombre común: velas estándar. Una vela estándar es un objeto cuyo brillo sabemos. Tan pronto como encontremos un objeto cuyo brillo, como nos parece, lo sepamos, podemos saber qué tan lejos está ubicado el objeto midiendo qué tan brillante se ve. Esta se convierte en una forma muy simple de estimar distancias, y esta es la única forma de estimar distancias a galaxias distantes. Este es en realidad un tema mucho más complejo, puede leerlo en el libro de Weinberg.

Cambio Doppler
La velocidad de remoción de galaxias se mide usando el desplazamiento Doppler, hablaré sobre esto durante los pocos minutos restantes de la conferencia de hoy. En las próximas conferencias, planeamos estudiar cómo se calcula el cambio Doppler en casos no relativistas y relativistas. Estudiaremos los casos más simples: cuando el observador está inmóvil y la fuente se mueve en línea recta; la fuente es estacionaria y el observador se mueve.

Comenzaré con la opción cuando el observador esté inmóvil y la fuente se mueva, lo que generalmente consideramos en el caso de galaxias distantes. Estamos en nuestro propio marco de referencia, por lo tanto, estamos inmóviles y la galaxia se está moviendo. Necesitamos calcular el desplazamiento al rojo.Sin embargo, debo decirle que el desplazamiento al rojo cosmológico es en realidad un poco diferente de lo que calcularemos en esta y la próxima conferencia.

En las próximas conferencias, calcularemos el desplazamiento al rojo en la teoría especial de la relatividad. Pero la cosmología no se rige por la teoría especial de la relatividad, porque la teoría especial de la relatividad no describe la gravedad, y la gravedad juega un papel importante en la cosmología. Hablaremos sobre el cambio rojo cosmológico un poco más tarde. Por el momento, nosotros, como el Hubble, ignoramos la gravedad, que es normal para las estrellas cercanas. Cuanto más lejos están, más importante es la influencia gravitacional. Ignorando la gravedad, simplemente puede usar la relatividad especial o incluso la cinemática newtoniana para calcular la relación entre

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