La teoría de cuerdas y la idea de un universo en expansión

Antes de la teoría de cuerdas, Albert Einstein fue fuertemente influenciado por el concepto de un universo inmutable. Su teoría de la relatividad general predice un universo dinámico - que cambió sustancialmente con el tiempo - por lo que introdujo un término, llamado el constante cosmológica, en la teoría de que el universo estático y eterno.

Esto demostraría 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 en la física, haciendo que los teóricos de cuerdas a repensar toda su enfoque.

Las ecuaciones de la relatividad general que Einstein desarrolló mostraron que el tejido del espacio se expande o se contrae. Esto no tenía sentido para Einstein, por lo que en 1917, añadió la constante cosmológica de las ecuaciones. Este término representa una forma de gravedad repulsiva que exactamente compensado la fuerza atractiva de la gravedad.

Cuando Hubble demostró que el universo se estaba expandiendo de hecho, Einstein llamó la introducción de la constante cosmológica su " mayor error " y quitado de las ecuaciones. Este concepto volvería largo de los años, sin embargo. Con el descubrimiento de la energía oscura, la de Einstein " error " se encontró que era un parámetro necesario en la teoría (a pesar de que la mayoría de los físicos durante un siglo asumieron el valor de la constante cosmológica era cero).

El descubrimiento de que la energía y la presión de tener la gravedad

En la gravedad de Newton, 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 gravitatoria. No sólo eso, sino que era posible que el espacio mismo podría ejercer una presión que combado espacio.

Cuando Einstein creó su primer modelo basado en la teoría general de la relatividad, se dio cuenta de que implicaba un universo en expansión. En ese momento, nadie tenía razón especial para pensar que el universo se estaba expandiendo, y Einstein asumió que se trataba de una falla en su teoría.

En un espacio de Sitter, lo único que existe es la energía del vacío - el propio constante cosmológica. 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 del espacio-tiempo.

Un modelo similar con una constante cosmológica negativa (o una curvatura negativa, en la que la expansión se está desacelerando) se llama anti-de Sitter espacio.

En 1922, el físico ruso Aleksandr Friedmann dio la mano para resolver los complicados ecuaciones de la relatividad general, 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 estos supuestos, las ecuaciones se vuelven mucho más simple. Modelo original de Einstein y el modelo de De Sitter tanto terminó siendo casos especiales de este análisis más general. Friedmann fue capaz de definir la solución en función de sólo tres parámetros:

• La 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 con la mayor precisión posible, pero incluso sin valores reales pueden definir tres soluciones posibles. Cada solución coincide con una cierta " la geometría " de espacio, que puede ser representado de una manera simplificada por la forma en el espacio curvas de forma natural en el universo, como se muestra en la figura:

• 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, como la esfera en la imagen de la izquierda en la figura. (Esto coincide con el modelo original de Einstein sin una constante cosmológica.)

• Abrir universo: No hay suficiente materia para detener la expansión, por lo que el universo continuará expandiéndose para siempre a la misma velocidad. Este espacio-tiempo tiene una curvatura negativa, al igual que la forma de silla de montar se muestra en la imagen central en la figura.

• 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 más a la derecha de la figura. (Él mismo Friedmann no descubrió esta solución- se encontró años más tarde.)

  

Estos modelos son muy simplificados, pero que tenían que ser porque las ecuaciones de Einstein se pusieron muy compleja en los casos en que el universo estaba poblado con una gran cantidad de la materia, y supercomputadoras todavía no existía para llevar a cabo todas las matemáticas.