Un modelo cíclico (o modelo oscilante ) es cualquiera de varios modelos cosmológicos en los que el universo sigue ciclos infinitos o indefinidos que se sostienen por sí mismos. Por ejemplo, la teoría del universo oscilante considerada brevemente por Albert Einstein en 1930 teorizaba que el universo sigue una serie eterna de oscilaciones, cada una de las cuales comienza con un Big Bang y termina con un Big Crunch ; mientras tanto, el universo se expandiría durante un período de tiempo antes de que la atracción gravitatoria de la materia haga que colapse y rebote .
En la década de 1920, los físicos teóricos, en particular 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 mostró que estos primeros intentos fracasaron debido al problema cíclico: según la segunda ley de la termodinámica , la entropía solo puede aumentar. [2] Esto implica que los ciclos sucesivos se hacen más largos y más grandes. Extrapolando hacia atrás en el tiempo, los ciclos anteriores al actual se vuelven más cortos y más pequeños, culminando 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 de 7.000 millones de años de tiempo cósmico confirmó que "la energía oscura está destruyendo nuestro universo a velocidades cada vez mayores". [4] [5]
Un nuevo modelo cíclico es el modelo de la cosmología de branas de la creación del universo , derivado del modelo ecpirótico 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 en existencia no solo 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 la constante cosmológica , que está acelerando la expansión del universo, es varios órdenes de magnitud más pequeña que 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 basado en el concepto de energía fantasma . [8]
Otros modelos cíclicos incluyen la cosmología cíclica conforme y la cosmología cuántica de bucles .
En este modelo cíclico, dos planos orbifold paralelos o M-branas colisionan periódicamente en un espacio de dimensiones superiores. [9] El universo de cuatro dimensiones visible se encuentra en una de estas branas . Las colisiones corresponden a una inversión de contracción a expansión, o un Big Crunch seguido inmediatamente por 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 el papel crucial de resolver los problemas de monopolo , horizonte y planitud . Además, los ciclos pueden continuar indefinidamente en el pasado y 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 falló porque el universo sufriría una inevitable muerte térmica termodinámica . [2] Sin embargo, el modelo cíclico más nuevo evita esto al tener una expansión neta en cada ciclo, lo que evita que se acumule entropía . Sin embargo, quedan importantes cuestiones abiertas en el modelo. La más importante de ellas es que los teóricos de cuerdas no entienden las branas en colisión, y nadie sabe si el espectro invariante de escala será destruido por el gran crujido. Además, como ocurre con la inflación cósmica , si bien se conoce el carácter general de las fuerzas (en el escenario ecpirótico , una fuerza entre branas) necesarias para crear las fluctuaciones del vacío , no hay ningún candidato de la física de partículas . [10]
Este modelo cíclico más reciente de 2007 supone una forma exótica de energía oscura llamada energía fantasma , [8] [11] que posee energía cinética negativa y normalmente haría que el universo terminara en un Big Rip . Esta condición se logra si el universo está dominado por energía oscura con un parámetro de ecuación de estado cosmológico 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 supuesto Big Rip, se produce un cambio de sentido y solo se conserva un parche causal como nuestro universo. El parche genérico no contiene quarks , leptones ni portadores de fuerza ; solo energía oscura , y su entropía, por lo tanto, se desvanece. El proceso adiabático de contracción de este universo mucho más pequeño tiene lugar con una entropía que se desvanece constantemente y sin materia, incluidos los agujeros negros que se desintegraron antes del cambio de sentido.
La idea de que el universo "regresa 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 atravesar transiciones de fase como las de la QCD y la restauración de simetría electrodébil. Cualquiera de estas 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, son necesarios muchos cálculos técnicos de respaldo para confirmar la consistencia del enfoque. Aunque el modelo toma prestadas ideas de la teoría de cuerdas , no está necesariamente comprometido con las cuerdas o con dimensiones superiores , sin embargo, tales dispositivos especulativos pueden proporcionar los métodos más expeditos para investigar la consistencia interna . El valor de en el modelo de Baum-Frampton puede hacerse arbitrariamente cercano a, pero debe ser menor que, −1.
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