En un hypertorus modelo del Universo, el movimiento en una línea recta que va de regreso a su original… ubicación. Si el tiempo es como un toro, Puede ser de naturaleza cíclica, en lugar de haber existido siempre o haber llegado a existir hace un tiempo finito. Aún hoy no conocemos el origen del tiempo.,
usuario de eso y deviantART Enthestarlightgarden
Cuando miramos el universo hoy, sabemos con una extraordinaria cantidad de certeza científica que no fue simplemente creado tal cual, sino que evolucionó a su configuración actual a lo largo de miles de millones de años de historia cósmica. Podemos usar lo que vemos hoy, tanto cerca como a grandes distancias, para extrapolar cómo era el Universo hace mucho tiempo, y para entender cómo llegó a ser como es ahora.,
Cuando pensamos en nuestros orígenes cósmicos, entonces, es solo humano hacer la más fundamental de todas las preguntas posibles: ¿de dónde vino todo esto? Ha pasado más de medio siglo desde que se confirmaron las primeras predicciones robustas y únicas del Big Bang, lo que llevó a nuestra imagen moderna de un universo que comenzó desde un estado caliente y denso hace unos 13,8 mil millones de años. Pero en nuestra búsqueda del principio, ya sabemos que el tiempo no pudo haber comenzado con el Big Bang. De hecho, podría no haber tenido un comienzo en absoluto.,
Después del Big Bang, el Universo era casi perfectamente uniforme y completa de la materia, la energía y la… radiación en un estado de rápida expansión. A medida que pasa el tiempo, el universo no solo forma elementos, átomos y grupos y cúmulos que conducen a estrellas y galaxias, sino que se expande y enfría todo el tiempo. Ninguna alternativa puede igualarlo, pero no nos enseña todo, incluyendo (y especialmente) sobre el principio mismo.
NASA / GSFC
cada vez que pensamos en algo, le aplicamos nuestra lógica muy humana., Si queremos saber de dónde vino el Big Bang, lo describimos en los mejores términos que podamos, y luego teorizamos sobre lo que podría haberlo causado y configurarlo. Buscamos evidencia que nos ayude a entender los comienzos del Big Bang. Después de todo, de ahí viene todo: del proceso que le dio su inicio.
pero esto asume algo que puede no ser cierto sobre nuestro universo: que en realidad tuvo un comienzo. Durante mucho tiempo, científicamente, no sabíamos si esto era cierto o no. ¿Tuvo el Universo un principio, o un tiempo antes del cual nada existía?, ¿O existió el Universo por una eternidad, como una línea infinita que se extiende en ambas direcciones? O, muy posiblemente, es nuestro universo cíclico como la circunferencia de un círculo, donde se repite una y otra vez indefinidamente?
Los tres grandes posibilidades de tiempo para saber como se comporta en nuestro Universo, se que el tiempo ha existido siempre… y siempre existirá, ese tiempo solo existió por una duración finita si extrapolamos hacia atrás, o ese tiempo es cíclico, y se repetirá, Sin Principio ni fin., El Big Bang parecía proporcionar una respuesta durante un tiempo, pero desde entonces ha sido reemplazado, hundiendo nuestros orígenes de nuevo en la incertidumbre.
E. Siegel
durante un tiempo, hubo múltiples ideas competidoras que fueron todas consistentes con las observaciones que teníamos.
- Un universo en expansión podría haberse originado desde un punto singular – un evento en el espacio-tiempo-donde todo el espacio y el tiempo emergieron de una singularidad.
- El Universo podría expandirse hoy porque se contrajo en el pasado, y se contraerá de nuevo en el futuro, presentando una solución oscilante.,
- Finalmente, el universo en expansión podría haber sido un estado eterno, donde el espacio se está expandiendo ahora y siempre lo ha sido y siempre lo será, donde la nueva materia se crea continuamente para mantener la densidad constante.
estos tres ejemplos representan las tres opciones principales: El Universo tuvo un comienzo singular, el universo es de naturaleza cíclica, o el universo siempre ha existido. En la década de 1960, sin embargo, se encontró un bajo nivel de radiación de microondas en todo el cielo, cambiando la historia para siempre.,
de Acuerdo con las observaciones originales de Penzias y Wilson, el plano de la galaxia emite algunos… fuentes astrofísicas de radiación (centro), pero por encima y por debajo, todo lo que quedaba era un fondo casi perfecto y uniforme de radiación. La temperatura y el espectro de esta radiación ya han sido medidos, y el acuerdo con las predicciones del Big Bang es extraordinario.
NASA / WMAP Science Team
esta radiación no era solo la misma magnitud en todas partes, sino también la misma en todas las direcciones., A solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, era consistente con el universo emergiendo de un estado denso caliente anterior, y enfriándose a medida que se expandía.
a medida que la tecnología mejorada y las técnicas novedosas llevaron a mejores datos, aprendimos que el espectro de esta radiación tenía una forma particular: la de un cuerpo negro casi perfecto. Un cuerpo negro es lo que obtienes si tienes un absorbedor perfecto de radiación calentado hasta una cierta temperatura específica. Si el Universo se expande y se enfría sin cambiar su entropía (es decir,,, adiabáticamente), algo que comienza con un espectro de cuerpo negro seguirá siendo un cuerpo negro, incluso cuando se enfríe. Esta radiación no solo era consistente con el resplandor sobrante del Big Bang, sino que era inconsistente con alternativas como la luz cansada o la luz reflejada de las estrellas.
la predicción única del Modelo Big Bang es que habría un resplandor sobrante de radiación… impregnando el universo entero en todas las direcciones., La radiación estaría unos pocos grados por encima del cero absoluto, sería la misma magnitud en todas partes, y obedecería a un espectro de cuerpo negro perfecto. Estas predicciones se confirmaron espectacularmente bien, eliminando alternativas como la teoría del estado estacionario de la viabilidad.
NASA / Goddard Space Flight Center / COBE (main); Princeton Group, 1966 (recuadro)
según el Big Bang, El Universo era más caliente, más denso, más uniforme y más pequeño en el pasado., Solo tiene las propiedades que vemos hoy porque se ha estado expandiendo, enfriando y experimentando la influencia de la gravitación durante tanto tiempo. Debido a que la longitud de onda de la radiación se extiende a medida que el universo se expande, un universo más pequeño debería haber tenido radiación con longitudes de onda más cortas, lo que significa que tenía energías más altas y temperaturas más altas.
hace miles de millones de años, una vez estaba tan caliente que incluso los átomos neutros no podían formarse sin ser despedazados., Incluso antes de eso, la radiación de microondas de hoy era tan energética que dominaba sobre la materia en lo que respecta al contenido de energía del Universo. Incluso en épocas anteriores, los núcleos atómicos se destruían instantáneamente, y en épocas anteriores, ni siquiera podíamos crear protones y neutrones estables.
Una historia visual de un Universo en expansión incluye el estado caliente y denso conocido como el Big Bang… el crecimiento y la formación de la estructura posteriormente., El conjunto completo de datos, incluyendo las observaciones de los elementos de luz y el fondo cósmico de microondas, deja solo el Big Bang como una explicación válida para todo lo que vemos. A medida que el universo se expande, también se enfría, permitiendo que se formen iones, átomos neutros y eventualmente moléculas, nubes de gas, estrellas y finalmente galaxias.
NASA / CXC / M. Weiss
Si extrapolamos todo el camino de regreso, arbitrariamente altas temperaturas, pequeñas distancias y altas densidades, que había intuir que esto sería realmente equiparar al principio., Si estuvieras dispuesto a correr el reloj hacia atrás tan lejos como pudieras, todo el espacio que compone nuestro universo visible hoy estaría comprimido hasta un solo punto.
ahora, es cierto que si fueras a estas condiciones extremas, comprimiendo toda la materia y energía presente en el universo de hoy en un pequeño volumen de espacio, las leyes de la física se romperían. Podrías intentar calcular varias propiedades, pero solo obtendrías tonterías por respuestas. Esto es lo que describimos como una singularidad: un conjunto de condiciones donde el tiempo y el espacio no tienen sentido., A primera vista, si haces los cálculos, parece que una singularidad es inevitable, independientemente de lo que domina el contenido de energía del Universo.
las singularidades son donde la Ley de Gravitación que gobierna el universo — la Relatividad General de Einstein — produce tonterías para las predicciones. La relatividad, recuerden, es la teoría que describe el espacio y el tiempo. Pero en singularidades, las dimensiones espaciales y temporales dejan de existir. Hacer preguntas como» lo que vino antes de este evento donde comenzó el tiempo «es tan absurdo como Preguntar» dónde estoy » si el espacio ya no existe.,
de hecho, este es el argumento que muchos hacen, incluido Paul Davies, cuando afirman que no puede haber discusión de lo que ocurrió antes del Big Bang. Esta es una tautología, por supuesto, si usted afirma que el Big Bang es donde comenzó el tiempo. Pero por interesante que sea este argumento, sabemos que el Big Bang ya no es donde comenzó el tiempo. Desde que hemos hecho mediciones modernas y detalladas del cosmos, hemos aprendido que esta extrapolación a una singularidad debe estar equivocada.,
el resto de La resplandor del Big Bang, el CMB, no es uniforme, sino que tiene pequeñas imperfecciones y… fluctuaciones de temperatura en la escala de unos pocos cientos de microkelvin. Si bien esto juega un papel importante en los últimos tiempos, después del crecimiento gravitacional, es importante recordar que el universo temprano, y el universo a gran escala de hoy, solo no es uniforme a un nivel que es inferior al 0.01%. Planck ha detectado y medido estas fluctuaciones con mayor precisión que nunca, e incluso puede revelar los efectos de los neutrinos cósmicos en esta señal., Las propiedades de estas fluctuaciones apoyan fuertemente un origen inflacionario a nuestro universo observable.
ESA y la colaboración de Planck
en particular, los patrones y magnitudes de las fluctuaciones que hemos descubierto en la radiación moderna que queda de ese estado temprano, caliente y denso nos enseñan una serie de propiedades importantes sobre nuestro universo. Nos enseñan cuánta materia estaba presente tanto en la materia oscura como en la materia normal: protones, neutrones y electrones., Nos dan una medida de la curvatura espacial del universo, así como la presencia de energía oscura y los efectos de los neutrinos.
pero también nos dicen algo de vital importancia que a menudo se pasa por alto: nos dicen si hubo una temperatura máxima para el universo en sus primeras etapas. Según los datos de WMAP y Planck, el universo nunca alcanzó una temperatura superior a aproximadamente 1029 K. Este número es enorme, pero es más de 1.000 veces menor que las temperaturas que necesitaríamos para equiparar a una singularidad.,
toda Nuestra historia cósmica es teóricamente se entiende bien, pero sólo cualitativamente. Ya pasó… confirmando observacionalmente y revelando varias etapas en el pasado de nuestro universo que deben haber ocurrido, como cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, y cómo el universo se expandió con el tiempo, que realmente podemos llegar a comprender nuestro cosmos. Las firmas reliquias impresas en nuestro universo desde un estado inflacionario antes del Big Bang caliente nos dan una manera única de probar nuestra historia cósmica.,
Nicole Rager Fuller/National Science Foundation
Las propiedades particulares del universo que están impresas en él desde las primeras etapas proporcionan una ventana a los procesos físicos que tuvieron lugar en esos tiempos. No solo nos dicen que no podemos extrapolar el Big Bang hasta una singularidad, sino que nos dicen sobre el estado que existía antes (y estableció) el Big Bang caliente: un período de inflación cósmica.,
durante la inflación, había una tremenda cantidad de energía inherente al espacio mismo, causando que el universo se expandiera rápida e implacablemente: a un ritmo exponencial. Este período de inflación ocurrió antes del Big Bang caliente, estableció las condiciones iniciales con las que comenzó nuestro universo, y dejó una serie de huellas únicas que buscamos y descubrimos después de que la teoría ya las había predicho. Según cualquier métrica, la inflación es un tremendo éxito.,
las fluctuaciones cuánticas que ocurren durante la inflación se extienden por todo el universo, y cuándo… la inflación termina, se convierten en fluctuaciones de densidad. Esto conduce, con el tiempo, a la estructura a gran escala en el universo actual, así como a las fluctuaciones de temperatura observadas en el CMB. Estas nuevas predicciones son esenciales para demostrar la validez de un mecanismo de ajuste, y han validado la inflación como nuestra nueva y principal Teoría de cómo nuestro Big Bang comenzó.
E., Siegel, con imágenes derivadas de ESA/Planck y el grupo de trabajo Interagencial DoE/NASA/ NSF sobre investigación CMB
pero esto altera severamente nuestras concepciones de cómo comenzó el universo. Anteriormente, les presenté un gráfico de cómo el tamaño (o escala) del Universo evolucionó con el tiempo. El gráfico muestra las diferencias entre cómo el universo se expandiría si estuviera dominado por la materia (en rojo), la radiación (en azul) o el propio espacio (como durante la inflación, en amarillo) en los primeros tiempos. Sin embargo, no fui completamente honesto contigo al mostrar ese gráfico.,
verás, omití algo en el gráfico anterior, porque lo truncé en un tiempo positivo y finito. En otras palabras, detuve el gráfico antes de alcanzar un tamaño de cero. Si continuara extrapolando hacia atrás, las curvas de materia y radiación realmente alcanzan una singularidad en un momento específico: t = 0. Ahí habría sido donde ocurrió la idea original del Big Bang. Pero en un universo inflacionario, solo asíntota a un tamaño de cero; nunca lo alcanzas. No en un momento específico de t = 0,y no en cualquier momento temprano, no importa cuánto tiempo atrás vaya.,
las líneas azules y rojas representan un escenario de Big Bang «tradicional», donde todo comienza en el tiempo t=0,… incluyendo el propio espacio-tiempo. Pero en un escenario inflacionario (amarillo), nunca llegamos a una singularidad, donde el espacio va a un estado singular; en cambio, solo puede hacerse arbitrariamente pequeño en el pasado, mientras que el tiempo continúa retrocediendo para siempre. La condición sin límite de Hawking-Hartle desafía la longevidad de este estado, al igual que el teorema de Borde-Guth-Vilenkin, pero ninguno es una cosa segura.
E., Siegel
al igual que muchos grandes descubrimientos en la ciencia, esto conduce a una serie de nuevas preguntas encantadoras, incluyendo:
- ¿Fue el estado inflacionario una constante? No sabemos si el universo se infló a la misma velocidad en todas partes, o si se infló durante largos períodos de tiempo. Si el universo se inflara de maneras que cambiaran muy rápidamente de un momento a otro, variando de un lugar a otro, podría tener todavía las propiedades que observamos que tiene hoy.
- ¿El estado inflacionario duró para siempre, retrocediendo en el tiempo?, La inflación ciertamente tiene el potencial de ser un estado eterno; creemos en las regiones donde no termina en un Big Bang caliente, continúa eternamente en el futuro. ¿Pero podría haber sido también eterna para el pasado? Sin nada que lo prohíba, debemos considerar la posibilidad.
- ¿La inflación está conectada a la energía oscura, que también es una forma de expansión exponencial? Aunque son diferentes en escala y magnitud, la inflación cósmica de la etapa inicial y la energía oscura de la etapa final ambas dan la misma forma matemática para la expansión del Universo., ¿Están relacionadas estas dos etapas, y nuestra expansión futura aumentará en fuerza y rejuvenecerá nuestro universo, como una especie de ciclo cósmico?
Las diferentes formas de la energía oscura podría evolucionar en el futuro. Permaneciendo constante o aumentando… la fuerza (en un gran rasgón) podría rejuvenecer potencialmente el universo, mientras que revertir el signo podría conducir a un gran crujido. Bajo cualquiera de estos dos escenarios, el tiempo puede ser cíclico, mientras que si ninguno se cumple, el tiempo podría ser finito o infinito en duración al pasado.
NASA / CXC / M.,Weiss
Aparentemente, no sabemos la respuesta a alguna de estas preguntas. El Universo, por lo que podemos observarlo, solo contiene información de los últimos 10-33 segundos más o menos de inflación. Todo lo que ocurrió antes de eso, lo que incluye cualquier cosa que nos diga cómo o si comenzó la inflación y cuál fue su duración, se borra, en cuanto a lo que es observable para nosotros, por la naturaleza de la inflación en sí.
teóricamente, no nos va mucho mejor., El teorema de Borde-Guth-Vilenkin nos dice que todos los puntos del universo, si se extrapola lo suficiente, se fusionarán, y que la inflación no puede describir un espacio-tiempo completo. Pero eso no significa necesariamente que un estado inflado no podría haber durado para siempre; podría implicar fácilmente que nuestras reglas actuales de la física son incapaces de describir estas primeras etapas con precisión.
Las tres principales posibilidades de cómo se comporta el tiempo en nuestro universo son que el tiempo siempre ha existido…, y siempre existirá, ese tiempo solo existió por una duración finita si extrapolamos hacia atrás, o ese tiempo es cíclico, y se repetirá, Sin Principio ni fin. No tenemos suficiente información en nuestro universo, hoy en día, para saber cuál de estas posibilidades es precisa.
E. Siegel
aunque podemos rastrear nuestra historia cósmica hasta las primeras etapas del Big Bang caliente, eso no es suficiente para responder a la pregunta de cómo (o si) comenzó el tiempo., Yendo aún más temprano, a las etapas finales de la inflación cósmica, podemos aprender cómo se estableció y comenzó el Big Bang, pero no tenemos información observable sobre lo que ocurrió antes de eso. La última fracción de segundo de la inflación es donde termina nuestro conocimiento.
miles de años después de que expusiéramos las tres principales posibilidades de cómo comenzó el tiempo-como haber existido siempre, como haber comenzado una duración finita en el pasado, o como ser una entidad cíclica — no estamos más cerca de una respuesta definitiva., Si el tiempo es finito, infinito o cíclico no es una pregunta que tengamos suficiente información dentro de nuestro universo observable para responder. A menos que encontremos una nueva manera de obtener información sobre esta pregunta profunda y existencial, la respuesta puede estar siempre más allá de los límites de lo que es conocible.
