La idea de la teoría de cuerdas de un universo en expansión
Albert Einstein fue influenciado por el concepto de un universo inmutable. Su teoría de la relatividad general predice un universo dinámico - uno que cambia sustancialmente con el tiempo - por lo que introdujo un término, llamado constante cosmológica, en la teoría de que el universo estático y eterno. Este término representa una forma de gravedad repulsiva que exactamente compensado la fuerza atractiva de la gravedad, y que resultaría ser un error cuando, varios años más tarde, el astrónomo Edwin Hubble descubrió que el universo se estaba expandiendo. Incluso hoy en día, la consecuencia de la constante cosmológica en la relatividad general tiene un enorme impacto sobre la física, haciendo que los teóricos de cuerdas a reconsiderar su enfoque conjunto.
El descubrimiento de que la energía y la presión de tener gravedad
En la gravedad de Newton, los cuerpos con masa se atraen entre sí. la relatividad de Einstein demostró que la masa y la energía estaban relacionados. Por lo tanto, la masa y la energía tanto ejercen influencia gravitacional. No sólo eso, sino que era posible que el espacio mismo podría ejercer una presión que deforma el espacio. Varios modelos se construyeron para mostrar cómo esta energía y la presión afectaron a la expansión y contracción del espacio.
Cuando Einstein creó su primer modelo basado en la teoría general de la relatividad, se dio cuenta de lo que implicaba un universo en expansión. En ese momento, nadie tenía ninguna razón particular para pensar que el universo se estaba expandiendo, y Einstein asumió que se trataba de una falla en su teoría.
ecuaciones de la relatividad general de Einstein permitieron la adición de un término adicional sin dejar de ser matemáticamente viable. Einstein encontró que este término podría representar una energía positiva (o presión negativa) distribuidos de manera uniforme en el tejido de espacio-tiempo, que actuaría como una anti gravedad, o en forma de repulsión de la gravedad. Este término fue elegido para cancelar precisamente por la contracción del universo, por lo que el universo sería estática (o invariable en el tiempo).
En 1917, el mismo año Einstein publicó sus ecuaciones que contienen la constante cosmológica, físico holandés Willem de Sitter que ser aplicados a un universo sin materia, en la que lo único que existe es la energía del vacío - la constante cosmológica en sí. Incluso en un universo que contiene no importa en absoluto, esto significa que el espacio se expandirá.
Un espacio de Sitter tiene un valor positivo para la constante cosmológica, que también puede ser descrito como una curvatura positiva de espacio-tiempo. Un modelo similar con una constante negativa cosmológica (o una curvatura negativa, en la que la expansión se está desacelerando) se llama una anti-de Sitter espacio.
En 1922, el físico ruso Aleksandr Friedmann dio la mano a la solución de las ecuaciones de la relatividad general elaborados, pero decidió hacerlo en el caso más general mediante la aplicación de la principio cosmológico (Que puede ser visto como un caso más general del principio copernicano), que consiste en dos supuestos:
El universo se ve igual en todas las direcciones (es isotrópico).
El universo es uniforme, no importa a donde vaya (es homogénea).
Con estas suposiciones, las ecuaciones se vuelven mucho más simple. El modelo original de Einstein y el modelo de De Sitter ambos terminaron siendo los casos especiales de este análisis más general. Friedmann fue capaz de definir la solución en función de sólo tres parámetros:
constante de Hubble (la tasa de expansión del universo)
Lambda (la constante cosmológica)
Omega (densidad media materia en el universo)
A día de hoy, los científicos están tratando de determinar estos valores tan precisamente como sea posible, pero incluso sin valores reales pueden definir tres soluciones posibles. Cada solución coincide con una cierta “geometría” de espacio, que puede ser representado de una manera simplificada por el espacio forma naturalmente curvas en el universo, como se muestra en la Figura 9-2.
universo cerrado: Hay suficiente materia en el universo que la gravedad con el tiempo superar la expansión del espacio. La geometría de tal universo es una curvatura positiva, tales como la esfera en la imagen más a la izquierda en la figura siguiente. (Esto coincide con el modelo original de Einstein sin una constante cosmológica.)
universo abierto: No hay materia suficiente para detener la expansión, por lo que el universo continuará expandiéndose para siempre a la misma velocidad. Este espacio-tiempo tiene una curvatura negativa, como la forma de silla de montar se muestra en la imagen del medio en la figura siguiente.
universo plano: La expansión del universo y la densidad de la materia perfectamente equilibrar, por lo que la expansión del universo se ralentiza el tiempo, pero nunca se detiene por completo. Este espacio no tiene curvatura en general, como se muestra en la imagen de la derecha de la figura siguiente. (Él mismo Friedmann no descubrió esta solución- se encontró años después).
Hay tres tipos de universos: cerradas, abiertas y planas.
Estos modelos son muy simplificado, pero necesitaban ser porque las ecuaciones de Einstein se pusieron muy compleja en los casos en que el universo estaba poblado con una gran cantidad de materia, y sin embargo no existían superordenadores para llevar a cabo todas las matemáticas (e incluso los físicos quieren seguir data de vez en cuando).
Hubble demuestra un universo en expansión
En 1927, el astrónomo Edwin Hubble demostró que el universo se está expandiendo. Si bien el estudio de galaxias distantes, se dio cuenta de que la luz de sus estrellas tenía una longitud de onda que se desplaza hacia el extremo rojo del espectro electromagnético. Esta es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria de la luz - un objeto que se mueve (con respecto al observador) emite luz con una longitud de onda ligeramente diferente. (Si alguna vez has oído hablar de cambio de paso de una sirena medida que se acerca y que pasa, usted ha experimentado este efecto.)
Hubble vio este desplazamiento hacia el rojo de las estrellas que observó, causada no sólo por el movimiento de las estrellas, sino por la expansión del propio espacio-tiempo, y en 1929 determinó que la cantidad de desplazamiento se relaciona con la distancia desde la Tierra. Las estrellas más distantes se alejan más rápido que las estrellas cercanas. El espacio en sí se estaba expandiendo.
Es evidente que, en este caso, Einstein se había equivocado y Friedmann había tenido razón para explorar todos los posibles escenarios predichos por la relatividad general. Einstein llamó a la introducción de la constante cosmológica su “mayor error” y se lo quitó de las ecuaciones. Por desgracia, Friedmann murió en 1925, por lo que nunca supo que tenía razón.