Un modelo cíclico (o modelo oscilante ) es cualquiera de varios modelos cosmológicos en los que el universo sigue ciclos autosostenibles infinitos o indefinidos. Por ejemplo, la teoría del universo oscilante considerada brevemente por Albert Einstein en 1930 teorizó que el universo seguía una serie eterna de oscilaciones, cada una de las cuales comenzaba con un Big Bang y terminaba con un Big Crunch ; Mientras tanto, el universo se expandiría durante un período de tiempo antes de que la atracción gravitacional de la materia hiciera que colapsara nuevamente y sufriera un rebote .
En la década de 1920, los físicos teóricos, sobre todo Albert Einstein , consideraron la posibilidad de un modelo cíclico para el universo como una alternativa (eterna) al modelo de un universo en expansión . En 1922, Alexander Friedmann introdujo la teoría del universo oscilante. [1] Sin embargo, el trabajo de Richard C. Tolman en 1934 demostró que estos primeros intentos fracasaron debido al problema cíclico: según la Segunda Ley de la Termodinámica , la entropía sólo puede aumentar. [2] Esto implica que los ciclos sucesivos se hacen cada vez más largos. Extrapolando hacia atrás en el tiempo, los ciclos anteriores al actual se vuelven cada vez más cortos y culminan nuevamente en un Big Bang y, por lo tanto, no lo reemplazan. Esta situación desconcertante se mantuvo durante muchas décadas hasta principios del siglo XXI, cuando el componente de energía oscura recientemente descubierto proporcionó nuevas esperanzas para una cosmología cíclica consistente. [3] En 2011, un estudio de cinco años de 200.000 galaxias y que abarca 7 mil millones de años de tiempo cósmico confirmó que "la energía oscura está separando nuestro universo a velocidades aceleradas". [4] [5]
Un nuevo modelo cíclico es el modelo cosmológico brana de la creación del universo , derivado del modelo ekpirótico anterior . Fue propuesto en 2001 por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y Neil Turok de la Universidad de Cambridge . La teoría describe un universo que explota no sólo una vez, sino repetidamente a lo largo del tiempo. [6] [7] La teoría podría explicar potencialmente por qué una forma repulsiva de energía conocida como constante cosmológica , que está acelerando la expansión del universo, es varios órdenes de magnitud más pequeña de lo predicho por el modelo estándar del Big Bang .
En 2007, Lauris Baum y Paul Frampton, de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill , propusieron un modelo cíclico diferente que se basa en la noción de energía fantasma. [8]
Otros modelos cíclicos incluyen la cosmología cíclica conforme y la cosmología cuántica de bucles .
En este modelo cíclico, dos planos orbitales paralelos o M-branas chocan periódicamente en un espacio de dimensiones superiores. [9] El universo visible de cuatro dimensiones se encuentra en una de estas branas . Las colisiones corresponden a una inversión de la contracción a la expansión, o un Big Crunch seguido inmediatamente de un Big Bang . La materia y la radiación que vemos hoy se generaron durante la colisión más reciente en un patrón dictado por fluctuaciones cuánticas creadas antes de las branas. Después de miles de millones de años el universo alcanzó el estado que observamos hoy; después de miles de millones de años adicionales, finalmente comenzará a contraerse nuevamente. La energía oscura corresponde a una fuerza entre las branas y cumple la función crucial de resolver los problemas de monopolo , horizonte y planitud . Además, los ciclos pueden continuar indefinidamente en el pasado y en el futuro, y la solución es un atractor , por lo que puede proporcionar una historia completa del universo.
Como demostró Richard C. Tolman , el modelo cíclico anterior fracasó porque el universo sufriría una inevitable muerte por calor termodinámico . [2] Sin embargo, el modelo cíclico más nuevo evade esto al tener una expansión neta en cada ciclo, evitando que se acumule entropía . Sin embargo, quedan importantes cuestiones abiertas en el modelo. El más importante de ellos es que los teóricos de cuerdas no comprenden las branas en colisión, y nadie sabe si el espectro invariante de escala será destruido por la gran crisis. Además, como ocurre con la inflación cósmica , si bien se conoce el carácter general de las fuerzas (en el escenario ekpirótico , una fuerza entre branas) necesarias para crear las fluctuaciones del vacío , no existe ningún candidato procedente de la física de partículas . [10]
Este modelo cíclico más reciente de 2007 asume una forma exótica de energía oscura llamada energía fantasma , [8] [11] que posee energía cinética negativa y normalmente causaría que el universo terminara en un Gran Desgarro . Esta condición se logra si el universo está dominado por energía oscura con una ecuación cosmológica de parámetro de estado que satisface la condición , para densidad de energía y presión p. Por el contrario, Steinhardt-Turok suponen . En el modelo de Baum-Frampton, una septillonésima (o menos) de segundo (es decir, 10 −24 segundos o menos) antes del posible Gran Desgarro, se produce un cambio de rumbo y sólo se conserva un parche causal como nuestro universo. El parche genérico no contiene quarks , leptones ni portadores de fuerza ; sólo energía oscura , y con ello su entropía desaparece. El proceso adiabático de contracción de este universo mucho más pequeño tiene lugar con una entropía constante que se desvanece y sin materia, incluidos los agujeros negros que se desintegraron antes del cambio.
La idea de que el universo "vuelve vacío" es una nueva idea central de este modelo cíclico, y evita muchas dificultades que enfrenta la materia en una fase de contracción, como la formación excesiva de estructuras , la proliferación y expansión de agujeros negros , así como el paso por transiciones de fase . como los de QCD y restauración de simetría electrodébil. Cualquiera de estos tendería fuertemente a producir un rebote prematuro no deseado, simplemente para evitar la violación de la segunda ley de la termodinámica . La condición de puede ser lógicamente inevitable en una cosmología verdaderamente infinitamente cíclica debido al problema de la entropía. Sin embargo, se necesitan muchos cálculos técnicos de respaldo para confirmar la coherencia del enfoque. Aunque el modelo toma prestadas ideas de la teoría de cuerdas , no está necesariamente comprometido con cuerdas o con dimensiones superiores , sin embargo, tales dispositivos especulativos pueden proporcionar los métodos más rápidos para investigar la consistencia interna . El valor de en el modelo de Baum-Frampton se puede acercar arbitrariamente a −1, pero debe ser menor que −1.
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