La teoría de la inflación: la solución de los problemas del universo de planitud y el horizonte

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Al tratar de comprender el universo, dos problemas principales continúan siendo el problema de planitud y el problema del horizonte. Para solucionar esto, la teoría del big bang es modificado por el teoría de la inflación, que establece que el universo se expandió rápidamente, poco después de su creación. Hoy en día, los principios en el corazón de la teoría de la inflación tienen un profundo impacto en la forma en que la teoría de cuerdas es visto por muchos físicos.

Estos dos problemas pueden expresarse simplemente como:

• problema del horizonte: El CMBR es esencialmente la misma temperatura en todas las direcciones.

• problema de planitud: El universo parece tener una geometría plana.

cuestiones del universo: demasiado lejos y demasiado planas

El problema del horizonte (también llamado a veces la problema de la homogeneidad) Es que no importa en qué dirección se mira en el universo, se ve básicamente la misma cosa (véase la siguiente figura). Las temperaturas de radiación cósmica de fondo (CMBR) en todo el universo son, a una muy alto nivel de medición, casi exactamente la misma temperatura en todas las direcciones. Esto realmente no debería ser el caso, si se piensa en ello con más cuidado.

Si nos fijamos en una dirección en el espacio, en realidad estás mirando hacia atrás en el tiempo. La luz que incide en el ojo (o telescopio) viaja a la velocidad de la luz, por lo que se emitió hace años. Esto significa que hay un límite de 14 mil millones (más o menos) de años luz en todas las direcciones. (El límite es en realidad más lejos porque el espacio mismo se está expandiendo, pero se puede ignorar que a los efectos de este ejemplo.) Si hay algo más lejos que eso, no hay manera para que jamás han comunicado con nosotros. Así se mira con su telescopio de gran alcance y puede ver el CMBR de 14 mil millones de años luz de distancia (llamar a este punto A).

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Si ahora mira 14 mil millones de años luz en la dirección opuesta (llamar a este punto B), que se ve exactamente el mismo tipo de CMBR en esa dirección. Normalmente, se tomaría esto como que todo el CMBR en el universo de alguna manera se ha difundido por todo el universo, como el calentamiento de un horno. De alguna manera, la información térmica se comunica entre los puntos A y B.

Pero los puntos A y B son 28 mil millones de años luz de distancia, lo que significa, porque ninguna señal puede ir más rápido que la velocidad de la luz, ahí‘s No hay manera de que pudieran han comunicado entre sí en toda la edad del universo. ¿Cómo se hicieron la misma temperatura si no hay forma de calor para transferir entre ellos? Este es el problema del horizonte.

El problema de planitud tiene que ver con la geometría de nuestro universo, que aparece (en especial con la evidencia reciente WMAP) para ser una geometría plana, como se muestra en la siguiente figura. La tasa de densidad de la materia y la expansión del universo parece ser casi perfectamente equilibrado, incluso 14000000000 año más tarde, cuando variaciones menores deben han crecido drásticamente. Debido a que esto no ha sucedido, los físicos necesitan una explicación de por qué las pequeñas variaciones no han aumentado de forma espectacular. No existían las variaciones? ¿Ellos no crecen en variaciones a gran escala? ¿Pasó algo para suavizar a cabo? El problema de planitud busca una razón por qué el universo tiene una geometría aparentemente tan perfectamente plana.

Hay tres tipos de universos (L. A r.): Cerrada, abierta y plana.

Estos tres tipos de universos son representaciones simplificadas de la forma en el espacio se curva naturalmente en el universo:

• 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. (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 (silla de montar en forma).

• 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 ninguna curvatura total.

La rápida expansión desde el principio tiene las soluciones

En 1980, el astrofísico Alan Guth propuso la teoría de la inflación para resolver los problemas de horizonte y planitud (aunque se requerían mejoras posteriores por Andrei Linde, Andreas Albrecht, Paul Steinhardt, y otros para conseguir que funcione). En este modelo, la expansión universal temprana acelera a un ritmo mucho más rápido de lo que vemos hoy.

Resulta que la teoría inflacionaria resuelve tanto el problema de la planitud y el problema del horizonte (al menos para la satisfacción de la mayoría de los cosmólogos y astrofísicos). El problema del horizonte se resuelve debido a que las diferentes regiones que vemos solían ser lo suficientemente cerca para comunicarse, pero durante la inflación, el espacio se expandió tan rápidamente que estas regiones cercanas se extienden para cubrir la totalidad del universo visible.

El problema de planitud se resuelve porque el acto de la inflación en realidad aplana el universo. Imagínese un globo desinflado, que puede tener todo tipo de arrugas y otras anomalías. A medida que el globo se expande, sin embargo, la superficie suaviza. Según la teoría de la inflación, esto sucede con el tejido del universo también.

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Además de resolver los problemas de horizonte y planitud, la inflación también proporciona las semillas para la estructura que vemos en nuestro universo actual. diminutas variaciones de energía durante la inflación, debido simplemente a la incertidumbre cuántica, se convierten en las fuentes de la materia a agruparse, llegando a ser galaxias y cúmulos de galaxias.

Un problema con la teoría de la inflación es que el mecanismo exacto que causaría - y luego se apaga - no se conoce el período de inflación. Muchos aspectos técnicos de la teoría inflacionaria siguen sin respuesta, aunque los modelos incluyen un campo escalar llamado campo de inflación y una partícula teórica correspondiente llama una inflatón. La mayoría de los cosmólogos creen hoy que alguna forma de inflación probablemente tuvo lugar en el universo temprano.