Gran explosión

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El universo Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones
Gran explosión, constante cosmológica y
gravedad cuántica: maravillas del siglo
(¿Qué siglo?)
Gianluca Calcagni
Instituto de Estructura de la Materia – CSIC
23 de febrero 2017
El universo Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones
Outline
1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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01/31– Partículas y gravedad
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02/31– Partículas elementales
Toda la materia conocida, incluida la luz, está compuesta
por partículas cuánticas subatómicas.
Electromagnetismo: fotones, electrones, . . .
Interacciones débiles (v.g., radioactividad): muones,
neutrinos, bosones vectores, . . .
Interacciones fuertes (fuerza nuclear): quarks, gluones, . . .
Experimentos muy precisos (valor de αQED, vida media del
muón, Higgs, . . . ).
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03/31– Gravitación
La gravedad no es una partícula cuántica: es geometría
(cómo se mueven los cuerpos).
Describe el sistema solar, las estrellas, las galaxias, todo el
universo.
Experimentos muy precisos (invarianza de Lorentz,
principio de equivalencia, sistema solar, ondas gravitatorias,
cosmología, . . . ).
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04/31– Tres problemas
Problema de la Gran Explosión
Problema de la constante cosmológica (energía oscura)
Problema de la gravedad cuántica
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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05/31– La voz de la gravedad
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06/31– Singularidades en agujeros negros
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07/31– Cosmología
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08/31– Distribución de galaxias
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09/31– Expansión cósmica
Ley de Hubble
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10/31– Singularidad cósmica
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10/31– Singularidad cósmica
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10/31– Singularidad cósmica
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11/31– Origen y escape
Soluciones singulares de las ecuaciones de Einstein
Rµν − 12 gµνR = 8πGTµν son típicas.
Teorema de Borde–Guth–Vilenkin (2003): Sea (M,g) un
espaciotiempo con una congruencia uµ definida
continuamente a través de cualquier geodésica vµ dirigida
hacia el pasado de tipo tiempo o nula (el observador).
Obedezca uµ a la condición de expansión promedia Hav > 0
para casi cualquier vµ. Entonces, (M,g) es
geodésicamente incompleto hacia el pasado (longitud
propia/afín de las geodésicas).
Si no cambiamos la teoría de la gravedad, no hay escape:
conjetura BKL.
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12/31– Singularidad de BKL
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13/31– Billar cósmico
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14/31– Ideas bonitas y sencillas (que no funcionan)
Buscar soluciones no singulares.
Cambiar la dinámica: L = R→ f (R).
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
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15/31– Cosmología de precisión
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16/31– Radiación cósmica de fondo (CMB)
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16/31– Radiación cósmica de fondo (CMB)
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16/31– Radiación cósmica de fondo (CMB)
El universo Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones
17/31– ¿Qué información sacamos del CMB?
Curvatura del universo
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17/31– ¿Qué información sacamos del CMB?
Curvatura del universo
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17/31– ¿Qué información sacamos del CMB?
Constante cosmológica
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18/31– ¿Cuál es el problema?
● “Viejo”: su valor es muy pequeño (ρΛ ∼ 10−124m4Pl = 10−29 g cm−3)
y no se explica por la física que conocemos.
● Ejemplo: ρeq ≈ 2.4 × 10−113m4Pl es calculable.
● “Nuevo”: ¿Porqué ρΛ = O(ρm)?
● Coincidencia: ¿Porqué Λ domina a tiempos tan recientes?
● Energía oscura: ¡no sabemos qué es!
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19/31– Ideas bonitas y sencillas
Que no funcionan:
Supersimetría. ρvac ∼ 10−68m4Pl ∼ 1056ρΛ.
Quintesencia. ρΛ = ρφ, campo dinámico, “sintonía fina” de
las condiciones iniciales.
Gravedad modificada. f (R), arbitraria, sintonía fina
moderada,. . .
Modelos de vacíos. Tensión con las observaciones.
Que podrían funcionar:
Quintesencia extendida, condensados, . . .
Principio antrópico débil: −10−123m4Pl < ρΛ < 10−121m4Pl.
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19/31– Ideas bonitas y sencillas
Que no funcionan:
Supersimetría. ρvac ∼ 10−68m4Pl ∼ 1056ρΛ.
Quintesencia. ρΛ = ρφ, campo dinámico, “sintonía fina” de
las condiciones iniciales.
Gravedad modificada. f (R), arbitraria, sintonía fina
moderada,. . .
Modelos de vacíos. Tensión con las observaciones.
Que podrían funcionar:
Quintesencia extendida, condensados, . . .
Principio antrópico débil: −10−123m4Pl < ρΛ < 10−121m4Pl.
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19/31– Ideas bonitas y sencillas
Que no funcionan:
Supersimetría. ρvac ∼ 10−68m4Pl ∼ 1056ρΛ.
Quintesencia.ρΛ = ρφ, campo dinámico, “sintonía fina” de
las condiciones iniciales.
Gravedad modificada. f (R), arbitraria, sintonía fina
moderada,. . .
Modelos de vacíos. Tensión con las observaciones.
Que podrían funcionar:
Quintesencia extendida, condensados, . . .
Principio antrópico débil: −10−123m4Pl < ρΛ < 10−121m4Pl.
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19/31– Ideas bonitas y sencillas
Que no funcionan:
Supersimetría. ρvac ∼ 10−68m4Pl ∼ 1056ρΛ.
Quintesencia. ρΛ = ρφ, campo dinámico, “sintonía fina” de
las condiciones iniciales.
Gravedad modificada. f (R), arbitraria, sintonía fina
moderada,. . .
Modelos de vacíos. Tensión con las observaciones.
Que podrían funcionar:
Quintesencia extendida, condensados, . . .
Principio antrópico débil: −10−123m4Pl < ρΛ < 10−121m4Pl.
El universo Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones
19/31– Ideas bonitas y sencillas
Que no funcionan:
Supersimetría. ρvac ∼ 10−68m4Pl ∼ 1056ρΛ.
Quintesencia. ρΛ = ρφ, campo dinámico, “sintonía fina” de
las condiciones iniciales.
Gravedad modificada. f (R), arbitraria, sintonía fina
moderada,. . .
Modelos de vacíos. Tensión con las observaciones.
Que podrían funcionar:
Quintesencia extendida, condensados, . . .
Principio antrópico débil: −10−123m4Pl < ρΛ < 10−121m4Pl.
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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20/31– Perspectiva cosmológica
● Coincidentia oppositorum: área donde se encuentran física de
partículas y gravedad. ● Area de conocimiento experimental
muy activa!
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21/31– Una visión dividida
¿Es posible unificar las fuerzas cuánticas con la gravedad?
¿Podría una gravedad cuántica o una teoría del todo
explicar lo observado y aliviar los problemas de la Gran
Explosión y de Λ?
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22/31– Problemas abiertos
Gravedad no predictiva si cuantizada perturbativamente.
Hay muchas teorías pero muy formales y con poco contacto
con las observaciones.
Donde hay contacto, inflación y Λ no explicados o poco
convincentes.
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23/31– Gran explosión y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: rebote cuántico.
Espumas de espín: confirma el rebote.
Teoría de campos de grupos: incluye las teorías anteriores.
Teoría de cuerdas: resolución de singularidades por
T-dualidad, no-localidad, condensación taquiónica (Estado
de la Nada), modelo de coset E10/K(E10) (pura simetría!).
Triangulaciones dinámicas causales: universo de de Sitter
emergente, problema de la GE todavía no resuelto.
Gravedad no-local: rebote clásico (libertad asintótica).
Espaciotiempos multifractales: fluctuaciones estocásticas,
distancias mínimas.
Seguridad asintótica: problema todavía no resuelto.
Conjuntos causales: problema todavía no resuelto.
Gravedad emergente unimodular: problema no resuelto.
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23/31– Gran explosión y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: rebote cuántico.
Espumas de espín: confirma el rebote.
Teoría de campos de grupos: incluye las teorías anteriores.
Teoría de cuerdas: resolución de singularidades por
T-dualidad, no-localidad, condensación taquiónica (Estado
de la Nada), modelo de coset E10/K(E10) (pura simetría!).
Triangulaciones dinámicas causales: universo de de Sitter
emergente, problema de la GE todavía no resuelto.
Gravedad no-local: rebote clásico (libertad asintótica).
Espaciotiempos multifractales: fluctuaciones estocásticas,
distancias mínimas.
Seguridad asintótica: problema todavía no resuelto.
Conjuntos causales: problema todavía no resuelto.
Gravedad emergente unimodular: problema no resuelto.
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23/31– Gran explosión y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: rebote cuántico.
Espumas de espín: confirma el rebote.
Teoría de campos de grupos: incluye las teorías anteriores.
Teoría de cuerdas: resolución de singularidades por
T-dualidad, no-localidad, condensación taquiónica (Estado
de la Nada), modelo de coset E10/K(E10) (pura simetría!).
Triangulaciones dinámicas causales: universo de de Sitter
emergente, problema de la GE todavía no resuelto.
Gravedad no-local: rebote clásico (libertad asintótica).
Espaciotiempos multifractales: fluctuaciones estocásticas,
distancias mínimas.
Seguridad asintótica: problema todavía no resuelto.
Conjuntos causales: problema todavía no resuelto.
Gravedad emergente unimodular: problema no resuelto.
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23/31– Gran explosión y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: rebote cuántico.
Espumas de espín: confirma el rebote.
Teoría de campos de grupos: incluye las teorías anteriores.
Teoría de cuerdas: resolución de singularidades por
T-dualidad, no-localidad, condensación taquiónica (Estado
de la Nada), modelo de coset E10/K(E10) (pura simetría!).
Triangulaciones dinámicas causales: universo de de Sitter
emergente, problema de la GE todavía no resuelto.
Gravedad no-local: rebote clásico (libertad asintótica).
Espaciotiempos multifractales: fluctuaciones estocásticas,
distancias mínimas.
Seguridad asintótica: problema todavía no resuelto.
Conjuntos causales: problema todavía no resuelto.
Gravedad emergente unimodular: problema no resuelto.
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23/31– Gran explosión y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: rebote cuántico.
Espumas de espín: confirma el rebote.
Teoría de campos de grupos: incluye las teorías anteriores.
Teoría de cuerdas: resolución de singularidades por
T-dualidad, no-localidad, condensación taquiónica (Estado
de la Nada), modelo de coset E10/K(E10) (pura simetría!).
Triangulaciones dinámicas causales: universo de de Sitter
emergente, problema de la GE todavía no resuelto.
Gravedad no-local: rebote clásico (libertad asintótica).
Espaciotiempos multifractales: fluctuaciones estocásticas,
distancias mínimas.
Seguridad asintótica: problema todavía no resuelto.
Conjuntos causales: problema todavía no resuelto.
Gravedad emergente unimodular: problema no resuelto.
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24/31– Funciones de onda: cosmología canónica
El big bang ocurre con probabilidad 0.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
-2
-1
0
1
2
3
4
a
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24/31– Funciones de onda: cosmología de lazos
El big bang se salta.
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24/31– Funciones de onda: cosmología de lazos
El big bang se salta.
El universo Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones
26/31– Funciones de onda: modelo de coset
E10/K(E10)
Nunca se llega al big bang: espaciotiempo → pura álgebra
Cerca de la singularidad (G→∞), toda la dinámica se reduce a
la geodésica nula de una partícula en E10/K(E10):
S11D−SUGRA Ð→ S[ν] = ∫
dt
n(t) ⟨P(t)∣P(t)⟩
P(t) ∶= 1
2
[d lnν(t)
dt
+ (d lnν(t)
dt
)
t
]
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27/31– Λ y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.Gravedad cuántica de lazos: muy pocas propuestas.
Espumas de espín: sin resultados significativos.
Teoría de campos de grupos: problema todavía no resuelto.
Teoría de cuerdas: paisaje de vacíos (landscape).
Triangulaciones dinámicas causales: problema todavía no
resuelto.
Gravedad no-local: problema todavía no resuelto.
Espaciotiempos multifractales: problema reformulado (Λ es
pura geometría) pero no resuelto.
Seguridad asintótica: “predicción” del valor de Λ.
Conjuntos causales: “predicción” del valor de Λ.
Gravedad emergente unimodular: hacia una resolución del
problema.
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27/31– Λ y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: muy pocas propuestas.
Espumas de espín: sin resultados significativos.
Teoría de campos de grupos: problema todavía no resuelto.
Teoría de cuerdas: paisaje de vacíos (landscape).
Triangulaciones dinámicas causales: problema todavía no
resuelto.
Gravedad no-local: problema todavía no resuelto.
Espaciotiempos multifractales: problema reformulado (Λ es
pura geometría) pero no resuelto.
Seguridad asintótica: “predicción” del valor de Λ.
Conjuntos causales: “predicción” del valor de Λ.
Gravedad emergente unimodular: hacia una resolución del
problema.
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27/31– Λ y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: muy pocas propuestas.
Espumas de espín: sin resultados significativos.
Teoría de campos de grupos: problema todavía no resuelto.
Teoría de cuerdas: paisaje de vacíos (landscape).
Triangulaciones dinámicas causales: problema todavía no
resuelto.
Gravedad no-local: problema todavía no resuelto.
Espaciotiempos multifractales: problema reformulado (Λ es
pura geometría) pero no resuelto.
Seguridad asintótica: “predicción” del valor de Λ.
Conjuntos causales: “predicción” del valor de Λ.
Gravedad emergente unimodular: hacia una resolución del
problema.
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27/31– Λ y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: muy pocas propuestas.
Espumas de espín: sin resultados significativos.
Teoría de campos de grupos: problema todavía no resuelto.
Teoría de cuerdas: paisaje de vacíos (landscape).
Triangulaciones dinámicas causales: problema todavía no
resuelto.
Gravedad no-local: problema todavía no resuelto.
Espaciotiempos multifractales: problema reformulado (Λ es
pura geometría) pero no resuelto.
Seguridad asintótica: “predicción” del valor de Λ.
Conjuntos causales: “predicción” del valor de Λ.
Gravedad emergente unimodular: hacia una resolución del
problema.
El universo Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones
27/31– Λ y gravedad cuántica
Cosmología cuántica canónica: interpretación
probabilística.
Gravedad cuántica de lazos: muy pocas propuestas.
Espumas de espín: sin resultados significativos.
Teoría de campos de grupos: problema todavía no resuelto.
Teoría de cuerdas: paisaje de vacíos (landscape).
Triangulaciones dinámicas causales: problema todavía no
resuelto.
Gravedad no-local: problema todavía no resuelto.
Espaciotiempos multifractales: problema reformulado (Λ es
pura geometría) pero no resuelto.
Seguridad asintótica: “predicción” del valor de Λ.
Conjuntos causales: “predicción” del valor de Λ.
Gravedad emergente unimodular: hacia una resolución del
problema.
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28/31– Λ como un condensado BCS
Λ = Λ0 exp(−jz5) = Λ0 exp(−ψ̄γ
5γzψ)
Nonperturbative vacuum
CONDENSATION
FERMI SURFACE
Fermi−Dirac statistics
Bose−Einstein statistics
Occupation
Number
n(k)
1
Fermionic
Momentum k
Perturbative vacuum
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1 Nuestra visión del universo
2 Problema de la Gran Explosión
3 Problema de la constante cosmológica
4 Problema de la gravedad cuántica
5 Observaciones
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29/31– Observaciones presentes y futuras
PLANCK: radiación cósmica de microondas y su polarización
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30/31– Observaciones presentes y futuras
aLIGO: ondas gravitatorias
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31/31– Observaciones presentes y futuras
Euclid: energía oscura
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. . . E quindi uscimmo a riveder le stelle.
	Nuestra visión del universo
	Problema de la Gran Explosión
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	Problema de la gravedad cuántica
	Observaciones