figura 1.Esquema de la evolución del universo de acuerdo al modelo de Iván Agullo basado en la gravedad cuántica de bucles (LQG)extención del paradigma inflacionario (la figura no está a escala).La LQG es usada para describir el temprano universo de la era de Planck.Los autores muestran que su teoría conecta sin problemas con la cosmología convencional inflacionaria haciendo similares predicciones respecto al fondo cósmico de microondas .El modelo está basado en un " Big Bounce" en lugar de un "Big Bang" :una transición desde una fase de contracción a una fase de expansión de el universo.Crédito.Alan Stonebraker.
¿Qué condiciones existían antes de la inflación y en qué medida afectan las predicciones del modelo inflacionario? Tales cuestiones cosmológicas fundamentales siguen sin respuesta, ya que no tenemos aún una teoría que pueda hacer frente a la física de la época preinflacion y sin problemas conectarla al período inflacionario. Un artículo publicado en Physical Review Letters, por Iván Agullo y sus colegas en la Universidad Estatal de Pennsylvania en University Park, toma la Gravedad Cuántica de Bucles (LQG)-una teoría candidata de la gravedad cuántica -y la utilizan para ampliar el escenario inflacionario hasta el final a la era de Planck [ver aquí ]. Los autores también encuentran que las características de la fase preinflationaria podrían resultar en observables firmas cosmológicas, ofreciendo así una oportunidad para poner a prueba la gravedad cuántica y la física preinflationaria en futuras observaciones astronómicas. En la década de 1980, Guth, Linde, Albrecht y Steinhardt propusieron la teoría de la inflación cosmológica [ver aquí ,aquí y aquí] para explicar dos rompecabezas en el modelo del Big Bang de la cosmología: ¿por qué nuestro universo es aproximadamente plano (es decir, puede ser descrito como un espacio euclideo , con una curvatura infinitamente pequeña) y por qué las regiones muy distantes en el Universo parecen tener una correlación no aleatoria en su temperatura (lo que sugiere que una vez estuvieron causalmente conectadas). La inflación da respuesta a estas preguntas, al postular que el volumen del Universo se expandió rápidamente por un factor de al menos 1078 en los primeros tiempos de la evolución cósmica. Muchos modelos de inflación existen, pero cualitativamente todos conducen a similares física: durante la inflación, las fluctuaciones cuánticas del vacío condujeron a fluctuaciones de densidad que actuaban como las semillas de la estructura a gran escala del Universo actual. Dado que estas fluctuaciones de densidad fueron acompañadas por fluctuaciones de temperatura, dejaron una huella observable en el fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación térmica liberada una vez que la expansión del universo permitió a los fotones viajar libremente en el espacio. Las predicciones de la teoría inflacionaria han sido ampliamente confirmadas por las mediciones del CMB [ver aquí]. A pesar de sus notables éxitos, la teoría de la inflación tiene varios problemas. El primero es el denominado "problema de la singularidad." En el 2003, Borde mostró que la inflación predice que el Universo, cuando evoluciona hacia atrás en el tiempo, se reduciría a un punto-la singularidad del Big Bang-en la que la densidad de energía, la curvatura del espacio-tiempo y la temperatura son infinitos [ver aquí]. Dado que la relatividad general se descompone en estas condiciones, la teoría inflacionaria actual no puede seguir siendo válida cuando se acerca a la singularidad. Otra dificultad es el problema "trans-Planck" [ver aquí]: de acuerdo con la inflación, las actuales escalas cosmológicas podrían haberse desarrollado a partir de características que eran más pequeñas que la longitud de Planck en el inicio de la inflación. La longitud de Planck (la distancia recorrida por la luz en un Planck segundo) es la escala de longitud natural en la era de Planck. Pero en una escala tan pequeña, la descripción clásica de la gravedad y el espacio-tiempo se cree que es inválida. En las altas densidades y energías del régimen pre-inflationario, se espera que los efectos cuánticos sobre la fuerza de la gravedad entren en juego. Bajo tales condiciones, una nueva teoría cuántica de la gravedad, que aún no se ha completado, es necesaria para describir la "microestructura" de espacio-tiempo, de forma similar a como la mecánica cuántica describe la microestructura de la materia. La gravedad cuántica de bucles es uno de esos intentos de fusionar la mecánica cuántica y la relatividad general. En la LQG, la geometría del espacio-tiempo continuo clásica se sustituye por una geometría discreta cuántica donde el espacio puede considerarse como hecho de un tejido fino de finitos "bucles". Durante la última década,la LQG se ha aplicado a la cosmología (un campo conocido como cosmología cuántica de bucles), con la esperanza de comprender la física de la época de Planck y la solución de los problemas de singularidad de los diferentes modelos cosmológicos, como la inflación [ver aquí y aquí]. Cuando el carácter discreto de espacio no importa, las ecuaciones de la LQG se aproximan a los modelos clásicos de la cosmología extremadamente bien (al igual que la mecánica cuántica se funde en la física clásica cuando los efectos cuánticos son despreciables). Sin embargo, las diferencias surgen cuando la curvatura del espacio-tiempo comienza a ser significativa. En la LQG, el Universo no surge a partir de una singularidad. En cambio, el Big Bang se sustituye por un "Big Bounce": el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción de una fase anterior del Universo. El trabajo de Agullo adopta el paradigma del rebote de la LQG y por lo tanto está libre del problema de la singularidad. Su idea física clave es que en la fase cercana al rebote(Bounce), las fluctuaciones del vacío ocurren sobre una no clásica geometría cuantificada del espacio-tiempo que abarca un volumen muy pequeño de aproximadamente 103 longitudes cúbicas de Planck. Estas son las fluctuaciones que actúan como las semillas de la estructura a gran escala de nuestro universo. Dado que una teoría completa de la gravedad cuántica aún no está disponible, los autores tuvieron que limitarse a una aproximación: tratan a las fluctuaciones con la estándar teoría cuántica de campos (como en la cosmología inflacionaria), pero se aprovechan de los recientes resultados teóricos [ver aquí] y estudian cómo estas fluctuaciones evolucionan en un espacio-tiempo que se cuantifica por técnica de la LQG . Dado que el paradigma inflacionario se extiende a través de la LQG a la época de Planck, las inconsistencias trans-Planck también se resuelven, cuando la LQG trata con rigor la longitud sub-Planck. Hay que señalar que la consistencia de su análisis se basa en una suposición importante: las fluctuaciones del vacío cuántico no afectan a su vez a la geometría subyacente cuántica. Los autores muestran que esto es verdad para una amplia clase de posibles condiciones iniciales, para los que las fluctuaciones del vacío al comienzo de la inflación llegan a ser esencialmente la misma que las consideradas en el modelo estándar inflacionario. Su modelo basado en la LQG, ilustrado esquemáticamente en la figura. 1, es consistente con las predicciones de la teoría inflacionaria y la extiende de manera continua a la era de Planck. Sin embargo, para un subconjunto limitado de tales condiciones iniciales,el estado del vacío predicho por la LQG puede ser sutilmente diferente del asumido en la inflación. Esto llevaría a firmas potencialmente observables de la gravedad cuántica [ver aquí,aquí y aquí] que podrían ser reveladas en experimentos del CMB de alta precisión como las propiedades estadísticas no gaussiana de la distribución de la temperatura (que se espera que sea distinta de las predicciones del modelo estándar de la inflación). En caso de que las futuras observaciones confirmen las predicciones de la LQG, una era hasta ahora inaccesible-de los inicios del universo sería accesible para la cosmología observacional.Siendo capaces de ver el Universo muy temprano, cuando la gravedad estaba a la par con las otras fuerzas, bien puede ser la clave para una teoría totalmente coherente que unifique la relatividad general y la mecánica cuántica.
artículo del físico Parampreet Singh para Physics.aps.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v5/142
