Modelo cíclico

Un modelo cíclico (o modelo oscilante ) es cualquiera de los diversos modelos cosmológicos en los que el universo sigue ciclos infinitos o indefinidos que se autosostenían. Por ejemplo, la teoría del universo oscilante, considerada brevemente por Albert Einstein en 1930, postulaba un universo que seguía una serie eterna de oscilaciones, cada una comenzando con un Big Bang y terminando con un Big Crunch ; mientras tanto, el universo se expandiría durante un período de tiempo antes de que la atracción gravitatoria de la materia provocara su colapso y un Big Bounce .

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 solo puede aumentar. ^{[ 2 ]} Esto implica que los ciclos sucesivos se vuelven más largos y grandes. Extrapolando hacia atrás en el tiempo, los ciclos anteriores al presente se vuelven más cortos y pequeños, culminando nuevamente en un Big Bang y, por lo tanto, no reemplazándolo. Esta desconcertante situación se mantuvo durante muchas décadas hasta principios del siglo XXI, cuando el componente de energía oscura recientemente descubierto brindó una nueva esperanza para una cosmología cíclica consistente. ^{[ 3 ]} En 2011, un estudio de cinco años de 200 000 galaxias y que abarcó 7 mil millones de años de tiempo cósmico confirmó que "la energía oscura está impulsando nuestro universo a velocidades aceleradas". ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Un nuevo modelo cíclico es el modelo cosmológico de branas 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 surge de forma explosiva no solo una vez, sino repetidamente a lo largo del tiempo. ^{[ 6 ] [ 7 ]} La teoría podría explicar por qué una forma repulsiva de energía conocida como constante cosmológica , que acelera la expansión del universo, es varios órdenes de magnitud menor que la predicha 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 la noción de energía fantasma. ^{[ 8 ]}

Otros modelos cíclicos incluyen la cosmología cíclica conforme ^{[ 9 ]} y la cosmología cuántica de bucles . ^{[ 10 ]}

Los modelos cíclicos volvieron a captar la atención a mediados de la década de 2020, cuando las tensiones entre las predicciones del modelo Lambda-CDM y las observaciones de mapeo de DESI sobre la energía oscura dinámica pusieron en duda el destino final del universo , dejando abierta la posibilidad de un Gran Rebote . ^{[ 11 ]}

En este modelo cíclico, dos planos orbifold paralelos o M-branas colisionan periódicamente en un espacio de dimensiones superiores. ^{[ 12 ]} El universo visible de cuatro dimensiones 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 de nuevo. La energía oscura corresponde a una fuerza entre las branas y cumple el papel crucial de resolver los problemas del monopolo , el horizonte y la 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 reciente evita esto al tener una expansión neta en cada ciclo, lo que impide la acumulación de entropía . No obstante, aún existen importantes problemas abiertos en el modelo. El principal de ellos es que las branas en colisión no son comprendidas por los teóricos de cuerdas, y nadie sabe si el espectro invariante de escala será destruido por el Big Crunch. Además, al igual que 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 hay ningún candidato de la física de partículas . ^{[ 13 ]}

Este modelo cíclico más reciente de 2007 asume una forma exótica de energía oscura llamada energía fantasma , ^{[ 8 ] [ 14 ]} que posee energía cinética negativa y que normalmente causaría que el universo terminara en un Gran Desgarro . Esta condición se alcanza si el universo está dominado por energía oscura con un parámetro de ecuación de estado cosmológica${\displaystyle w}$satisfaciendo la condición${\displaystyle w\equiv {\frac {p}{\rho }}<-1}$, para densidad de energía${\displaystyle {\rho }}$y presión p. Por el contrario, Steinhardt-Turok asumen${\displaystyle w{\geq }-1}$En el modelo de Baum-Frampton, una septillonésima de segundo (o menos) (es decir, 10⁻²⁴ ^segundos o menos) antes del posible Gran Desgarro, se produce un cambio de dirección y solo se conserva una región causal como nuestro universo. Esta región genérica no contiene quarks , leptones ni portadores de fuerza ; solo energía oscura , y su entropía 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 dirección.

La idea de que el universo "vuelve vacío" es una idea central nueva 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 pasar por transiciones de fase como las de QCD y la restauración de la 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${\displaystyle w<-1}$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 consistencia del enfoque. Aunque el modelo toma prestadas ideas de la teoría de cuerdas , no está necesariamente comprometido con las cuerdas, ni con dimensiones superiores , pero tales dispositivos especulativos pueden proporcionar los métodos más expeditos para investigar la consistencia interna . El valor de${\displaystyle w}$En el modelo de Baum-Frampton, se puede hacer arbitrariamente cercano a −1, pero debe ser menor que −1.

• La cosmología cíclica conforme —una teoría basada en la relatividad general propuesta por Roger Penrose, según la cual el universo se expande hasta que toda la materia se desintegra y se convierte en luz— implica que no existe nada en el universo que tenga asociada una escala de tiempo o distancia. Esto permite que se vuelva idéntico al Big Bang, dando inicio así al siguiente ciclo.
• La cosmología cuántica de bucles predice un "puente cuántico" entre las ramas cosmológicas en contracción y expansión.
• Nikolai Gorkavyi: «Sin materia oscura ni energía oscura». El Universo oscilante: Los recientes descubrimientos en astrofísica observacional y cosmología han permitido excluir cualquier estado exótico e hipotético del Universo para explicar el mecanismo de fluctuaciones en su volumen, basándose en los trabajos de Nikolai Gorkavyi. Según la teoría general de la relatividad, se supone que en cada ciclo, la expansión comienza debido al predominio de la fuerza antigravitatoria, que se produce como resultado de una disminución de la masa del sistema durante la fusión de agujeros negros con la emisión de ondas gravitacionales (aproximadamente el 5% de la masa total se convierte en energía), y la compresión se produce debido al predominio de la fuerza gravitacional, que aumenta como resultado del crecimiento de la masa de los agujeros negros cuando absorben ondas gravitacionales. El concepto propuesto supone, en particular, la existencia actual de un agujero negro gigante de mil millones de años luz de tamaño, la compresión máxima del Universo en un ciclo a un tamaño de aproximadamente un año luz, y la transición de algunos agujeros negros de un ciclo a otro. ^{[ 15 ]}

Cosmologías físicas:

• Gran rebote
• Cosmología cíclica conforme

Religión:

• Bhavacakra
• Ciclos del tiempo en el hinduismo
• El eterno retorno
• recurrencia histórica
• El jainismo y el no creacionismo
• Kalachakra
• La rueda del tiempo

• Steinhardt, PJ; Turok, N. (2007). Universo sin fin . Nueva York, Nueva York: Doubleday. ISBN 978-0-385-50964-0.
• Tolman, RC (1987) [1934]. Relatividad, termodinámica y cosmología . Nueva York: Dover. ISBN 978-0-486-65383-9. LCCN 34032023 . 
• Baum, L.; Frampton, PH (2007). "Giro en la cosmología cíclica". Physical Review Letters . 98 (7) 071301. arXiv : hep-th/0610213 . Bibcode : 2007PhRvL..98g1301B . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.071301 . PMID 17359014 . S2CID 17698158 .  
• Dicke, RH; Peebles, PJE; Roll, PG; Wilkinson, DT (1965). "Radiación cósmica de cuerpo negro". The Astrophysical Journal . 142 : 414. Bibcode : 1965ApJ...142..414D . doi : 10.1086/148306 . ISSN 0004-637X . 
• SW Hawking y GFR Ellis, La estructura a gran escala del espacio-tiempo (Cambridge, 1973).
• Penrose, Roger (2010). Ciclos del tiempo: una nueva y extraordinaria visión del universo . Londres: The Bodley Head . ISBN 978-0-224-08036-1.

• Paul J. Steinhardt , Departamento de Física, Universidad de Princeton
• Paul H. Frampton , Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill
• "El universo cíclico": una charla con Neil Turok
• Roger Penrose: Modelo del Universo Cíclico