Model cíclic de l'Univers: la degeneració de la matèria es produeix sense parar

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

A principis dels anys 2000, dos físics de la Universitat de Princeton van proposar un model cosmològic, segons el qual el Big Bang no és un esdeveniment únic, sinó que l'espai-temps existia molt abans que l'univers naixia.

En el model cíclic, l'univers passa per un cicle infinit d'autososteniment. A la dècada de 1930, Albert Einstein va plantejar la idea que l'univers pot experimentar un cicle interminable de grans explosions i grans compressions. L'expansió del nostre univers pot ser el resultat del col·lapse de l'univers antecedent. En el marc d'aquest model, podem dir que l'Univers va renéixer de la mort del seu predecessor. Si és així, aleshores el Big Bang no va ser una cosa única, és només una explosió menor entre un nombre infinit d'altres. La teoria cíclica no substitueix necessàriament la teoria del Big Bang; més aviat, intenta respondre altres preguntes: per exemple, què va passar abans del Big Bang i per què el Big Bang va conduir a un període d'expansió ràpida?

Un dels nous models cíclics de l'Univers va ser proposat per Paul Steinhardt i Neil Turok l'any 2001. Steinhardt va descriure aquest model en el seu article, que es deia El model cíclic de l'Univers. En la teoria de cordes, una membrana o "brana" és un objecte que existeix en diverses dimensions. Segons Steinhardt i Turok, les tres dimensions espacials que veiem corresponen a aquestes branes. Poden existir dues branes 3D en paral·lel, separades per una dimensió addicional oculta. Aquestes branes -es poden considerar plaques metàl·liques- poden moure's al llarg d'aquesta dimensió addicional i xocar entre elles, creant el Big Bang i, per tant, universos (com el nostre). Quan xoquen, els esdeveniments es desenvolupen segons el model estàndard del Big Bang: es crea matèria calenta i radiació, es produeix una inflació ràpida i després tot es refreda, i es formen estructures com galàxies, estrelles i planetes. No obstant això, Steinhardt i Turok argumenten que sempre hi ha alguna interacció entre aquestes branes, que anomenen interbranes: les uneix, fent-les xocar de nou i produir el següent Big Bang.

No obstant això, el model de Steinhardt i Turok qüestiona alguns dels supòsits del model del Big Bang. Per exemple, segons ells, el Big Bang no va ser l'inici de l'espai i el temps, sinó més aviat una transició d'una fase anterior de l'evolució. Si parlem del model del Big Bang, aleshores diu que aquest esdeveniment va marcar l'inici immediat de l'espai i el temps com a tal. A més, en aquest cicle de col·lisió de branes, l'estructura a gran escala de l'Univers ha de ser determinada per la fase de compressió: és a dir, això passa abans que xoquin i es produeixi el següent Big Bang. Segons la teoria del Big Bang, l'estructura a gran escala de l'univers està determinada per un període de ràpida expansió (inflació), que va tenir lloc poc després de l'explosió. A més, el model del Big Bang no prediu quant de temps existirà l'univers, i en el model de Steinhardt la durada de cada cicle és d'uns bilions d'anys.

El millor del model cíclic de l'Univers és que, a diferència del model del Big Bang, pot explicar l'anomenada constant cosmològica. La magnitud d'aquesta constant està directament relacionada amb l'expansió accelerada de l'Univers: explica per què l'espai s'està expandint tan ràpidament. Segons les observacions, el valor de la constant cosmològica és molt petit. Fins fa poc, es creia que el seu valor era 120 ordres de magnitud inferior al previst per la teoria estàndard del Big Bang. Aquesta diferència entre observació i teoria ha estat durant molt de temps un dels problemes més grans de la cosmologia moderna. Tanmateix, no fa tant, es van obtenir noves dades sobre l'expansió de l'Univers, segons les quals s'està expandint més ràpidament del que es pensava. Queda per esperar noves observacions i confirmació (o refutació) de les dades ja obtingudes.

Steven Weinberg, premi Nobel de 1979, intenta explicar la diferència entre observar i predir un model utilitzant l'anomenat principi antròpic. Segons ell, el valor de la constant cosmològica és aleatori i difereix en diferents parts de l'Univers. No ens ha d'estranyar que vivim en una zona tan rara on observem un petit valor d'aquesta constant, ja que només amb aquest valor es poden desenvolupar estrelles, planetes i vida. Alguns físics, però, no estan satisfets amb aquesta explicació a causa de la manca d'evidència que aquest valor sigui diferent en altres regions de l'Univers observable.

Un model similar va ser desenvolupat pel físic nord-americà Larry Abbott a la dècada de 1980. No obstant això, en el seu model, la disminució de la constant cosmològica a valors baixos va ser tan llarga que tota la matèria de l'Univers durant aquest període es dispersaria a l'espai, deixant-lo, de fet, buit. Segons el model cíclic de l'Univers de Steinhardt i Turok, la raó per la qual el valor de la constant cosmològica és tan petit és que inicialment era molt gran, però amb el temps, amb cada nou cicle, disminuïa. En altres paraules, amb cada gran explosió, la quantitat de matèria i radiació a l'Univers es "redueix a zero", però no la constant cosmològica. Durant molts cicles, el seu valor ha baixat, i avui observem exactament aquest valor (5, 98 x 10-10 J/m3).

En una entrevista, Neil Turok va parlar sobre el seu model i el de Steinhardt de l'univers cíclic de la següent manera:

"Hem proposat un mecanisme en què la teoria de les supercordes i la teoria M (les nostres millors teories combinades de la gravetat quàntica) permeten que l'univers passi pel Big Bang. Però per entendre si la nostra hipòtesi és totalment coherent, cal més treball teòric".

Els científics esperen que amb el desenvolupament de la tecnologia, hi haurà l'oportunitat de provar aquesta teoria juntament amb altres. Així, segons el model cosmològic estàndard (ΛCDM), poc després del Big Bang va seguir un període conegut com a inflació, que va omplir l'univers d'ones gravitatòries. El 2015 es va registrar un senyal d'ona gravitatòria, la forma del qual va coincidir amb la predicció de la Relativitat General per a la fusió de dos forats negres (GW150914). El 2017, els físics Kip Thorne, Rainer Weiss i Barry Barish van rebre el Premi Nobel per aquest descobriment. També posteriorment, es van registrar ones gravitatòries que emanen de l'esdeveniment de la fusió de dues estrelles de neutrons (GW170817). No obstant això, les ones gravitatòries de la inflació còsmica encara no s'han registrat. A més, Steinhardt i Turok assenyalen que si el seu model és correcte, aquestes ones gravitacionals seran massa petites per ser "detectades".