#48 La Cosmología Contemporánea y el Inicio del Universo

Respuesta de Dr. Craig

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Estoy en el proceso de terminar un artículo sobre el argumento cosmológico kalam que escribí juntamente con James Sinclair para un volumen que va salir pronto con Blackwell, con el título de Companion to Natural Theology (Compendio Blackwell para la Teología Natural ). Jim está escribiendo la parte que tiene que ver con la evidencia empírica de la cosmología astrofísica para el comienzo del universo. Él hace un trabajo maravilloso de resumir el estado actual del campo, aquí le daré un adelanto de eso.

En primer lugar, en respuesta a su pregunta, el modelo estándar del Big Bang incluye una singularidad inicial. El modelo no puede perder esa característica y seguir siendo el mismo modelo. Así que no hay duda de que el modelo estándar ya no incluye una singularidad. Más bien, lo que los físicos entrevistados quieren decir es que en la actualidad el modelo estándar ya no es la visión predominante. La afirmación de ellos es que mientras que el modelo estándar era la visión aceptada hace 25 años, ese ya no es el caso hoy en día.

Ahora bien, en cierto sentido eso es verdad. El modelo estándar del Big Bang necesita ser modificado de varias maneras. Por ejemplo, el modelo se basa en la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Pero la teoría de Einstein se desvanece cuando el espacio es reducido a proporciones subatómicas. En ese momento necesitaremos introducir la física cuántica y nadie está seguro de cómo se debe hacer esto. Eso es lo que los físicos querían decir cuando dijeron que el Big Bang se extiende sólo hasta el tiempo de Planck. (Que, por cierto, no es un entendimiento nuevo. Todo el mundo siempre ha sabido que la relatividad general se rompe en ese momento). Por otra parte, la expansión del universo no es probablemente constante como en el modelo estándar. Probablemente se está acelerando y puede haber tenido un breve momento de expansión súper-rápida o de expansión inflacionaria en el pasado.

Pero ninguno de estos ajustes necesita afectar la predicción fundamental del modelo estándar del comienzo absoluto del universo.

De hecho, el estudio general de Jim sobre la cosmología contemporánea refuerza cuán robusta continúa siendo la predicción del modelo estándar de un principio absoluto. Él considera tres grandes programas de investigación que actualmente se están haciendo basados en las posibles excepciones que existen para los teoremas de la singularidad de Hawking-Penrose, los cuales apoyan la predicción del modelo estándar de una singularidad cosmológica inicial. Estos son: (1) las Curvas Cerradas de Tipo Tiempo, (2) la Violación de la Condición de Energía Fuerte (Inflación Eterna), y (3) la Falsedad de la Relatividad General (Gravedad Cuántica). La primera de ellas postula un espacio-tiempo exótico que cuenta con un tiempo circular en el pasado y por eso no es tomada muy en serio por la gran mayoría de los cosmólogos. El verdadero trabajo se ha centrado en las otras dos alternativas.

Con respecto a la alternativa de la Inflación Eterna, que fue sugerida por algunos teóricos de la década de los años ochentas de que tal vez la expansión inflacionaria del universo no se limita a un breve período temprano en la historia del universo, sino que es eterna en el pasado, cada región inflacionaria siendo el producto de una región inflacionaria previa. A pesar de que esos modelos fueron objetos de acalorados debates, parece que se alcanzó algún punto en el 2003, cuando tres de los principales cosmólogos, Arvin Borde, Alan Guth, y Alexander Vilenkin pudieron demostrar que cualquier universo que, en promedio, se haya expandido a lo largo de su historia no puede ser infinito en el pasado, sino que debe tener un límite pasado del espacio-tiempo.

Lo que hace que su prueba sea tan poderosa es que se sostiene sin importar la descripción física del universo antes del tiempo de Planck. Debido a que todavía no podemos proporcionar una descripción física del universo muy temprano, ese breve momento ha sido un terreno fértil para hacer especulaciones. (Un científico lo ha comparado con las regiones en los mapas antiguos con la etiqueta "Aquí hay dragones"- puede ser llenado con todo tipo de fantasías.) No obstante, el teorema de Borde-Vilenkin-Guthes es independiente de cualquier descripción física de ese momento. El teorema de ellos implica que, incluso si nuestro universo es solamente una parte pequeña de un llamado "multiverso" compuesto de muchos universos, el multiverso debe tener un comienzo absoluto.

Vilenkin es directo acerca de las implicaciones:

Alguna especulación cosmológica actual se basa en los intentos de producir modelos basados en las posibles excepciones a la condición de Borde-Guth-Vilenkin de que el universo ha estado, en average, en un estado de expansión cósmica. En su artículo, Jim proporciona la siguiente tabla de posibilidades:

(Traducción de la gráfica)

Cuatro Condiciones Exceptionales para el Teorema de la Singularidad de Borde-Guth-Vilenkin
1. Contracción Infinita (Havg <0). Por ejemplo, la cosmología de De Sitter
2. Asintóticamente estable (Havg =0). Por ejemplo, clase de modelo emergente
3. Ciclo Infinito (Havg =0). Por ejemplo, el modelo de Baum-Frampton (gran rebote)
4. Inversión del tiempo en la singularidad. Por ejemplo, Aguirre-Gratton

El primer caso implica una contracción infinita antes de la singularidad, seguido por nuestra expansión actual. El segundo caso postula un estado inicial inestable seguido de una expansión inflacionaria. El tercer caso imagina una contracción seguida por una expansión súper motivada por energía 'oscura', con el universo rompiéndose en un multiverso. El cuarto caso postula dos imágenes especulares, expansiones inflacionarias, donde las flechas del tiempo se apartan de la singularidad cosmológica. Jim demuestra que esos modelos altamente especulativos son todos hechos en contradicción a la cosmología observacional o terminan implicando el comienzo mismo del universo que ellos trataron de evitar.

La otra alternativa a los teoremas de Hawking-Penrose que ha sido investigada vigorosamente son los modelos de la Gravedad Cuántica. Jim ofrece el siguiente cuadro de estos modelos:

(Traducción de la gráfica)

Clases de la Gravedad Cuántica
1. Fondo de Fluctuación =Background Fluctuation
2. Cuerdas = String
3. Lazos = Loop Quantum
4. Semi-clásica =Semi-Classical

La primera clase de modelos postula un espacio vacío eterno en el cual nuestro universo se origina a través de una fluctuación cuántica. Se encontró de que esos modelos no pudieron evitar el inicio del espacio vacío mismo y de esa manera implicaban el comienzo absoluto del espacio-tiempo. Estos modelos no sobrevivieron los primeros años de la década de los años ochentas.

En la segunda clase, los modelos teóricos de cuerdas han estado de moda últimamente. Están basados en una alternativa al modelo estándar de la física de partículas la cual interpreta los pilares de los que es la materia y no las partículas puntuales, sino las cuerdas de energía de una dimensión. Jim analiza tres tipos de modelos cosmológicos de cuerdas:

(Traducción de la gráfica)

Algunas Cosmología de Cuerdas
1. Ekpyrotic/Cíclico (Steinhardt/Turok)
2. Inflación pre-Big Bang (Veneziano & Gasperini)
3. Paisaje de cuerdas (Susskind & muchos otros)

La primera de estas cosmologías de cuerdas, los modelos cíclicos Ekpyrotic, está sujeta al teorema de Borde-Vilenkin-Guth y por lo tanto se admite que involucra un comienzo del universo. El segundo grupo, los modelos pre-Big Bang, no puede extenderse al pasado infinito si han de ser considerados como descripciones realistas del universo. El tercer grupo, los modelos de paisaje de cuerdas, cuenta con el escenario popular de multiverso. También está sujeto al teorema de Borde-Vilenkin-Guth y por lo tanto implica el comienzo del universo. Así que los modelos cosmológicos de cuerdas no sirven para evitar la predicción del modelo estándar de que el universo comenzó a existir.

La tercera clase de los modelos de la Gravedad Cuántica, las teorías de la Gravedad Cuántica de Lazos, muestra las versiones de un universo cíclico que se expande y se contrae. Esos modelos no requieren de un pasado eterno y tratar de extenderlos hasta el infinito pasado es difícil conciliar con la Segunda Ley de Termodinámica y parece estar descartada por la acumulación de la energía oscura, que con el tiempo va a poner fin a los comportamientos cíclicos.

Por último, en cuarto lugar, los modelos Semi-clásicos de Gravedad Cuántica incluyen el famoso modelo de Hartle-Hawking y la teoría del mismo  Vilenkin:

(Traducción de la gráfica)

Gravedad Cuántica semi-clásica
Enfoque Semi-Clásico: Semi-Classical Approach
1. Sin frontera (Hawking-Hartle)
2. “Túnel de la Nada” (Vilenkin)

Estos modelos exhiben un comienzo absoluto del universo, aún si el universo no llega a existir en un punto singular. Por lo tanto, los modelos de la Gravedad Cuántica no más evitan el comienzo del universo que lo que lo hacen los supuestos modelos Inflacionarios Eternos.

En síntesis, creo que se puede ver lo engañoso que eran los enunciados que le dijeron los físicos. La predicción del modelo estándar de que el universo comenzó a existir sigue siendo hoy tan segura como siempre—de hecho, está más segura en luz al teorema de Borde-Vilenkin-Guth y  esa corroboración de la predicción por parte de los intentos repetidos y a menudo imaginativos para falsificarla. La persona que cree que el universo comenzó a existir sigue estando en una posición sólida y cómodamente dentro de la ciencia convencional.