Algunas personas creen que el agujero negro imita el Big Bang dentro de ellos y crea un universo. ¿Cuál es la posibilidad de que nuestro universo...

Por supuesto que todo son teorías, pero la historia de la física se ha sustentado en eso: teorías.

¿ESTAMOS DENTRO DE UN AGUJERO NEGRO?

Es una inquietante posibilidad que, sin embargo, algunos científicos se están tomando muy en serio. La idea de que todo nuestro Universo podría estar dentro de un agujero negro es una conclusión que se basa en una modificación de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein.

A partir de un detallado análisis del movimiento de las partículas que entran en un agujero negro, Poplawski, de la Universidad de Indiana, ha llegado a la conclusión de que, en realidad, existe todo un universo dentro de cada agujero negro. Su teoría se publicó en Physics Letters y ha sido recogida por New Scientist.

"Pudiera ser -dice Poplawski- que los grandes agujeros negros que hay en el centro de la Vía Láctea y de otras galaxias sean, en realidad, puentes hacia otros universos". Si la hipótesis se revela correcta, nada nos impide pensar que también el universo en que vivimos se encuentra, en realidad, dentro de un agujero negro.

Según las teorías de Einstein, en el interior de cada agujero negro existe una "singularidad", una región de espacio en la que la densidad de la materia tiende a infinito. La enorme fuerza de gravedad de ese condensado ultradenso de materia es tal, que ni siquiera la luz puede escapar de él. Por eso, para nosotros esos objetos son "negros", porque no emiten luz y no podemos verlos, ni obtener, en teoría, ninguna clase de información procedente de su interior.

Según la TGR el espaciotiempo es plano cuando en él no hay cuerpos y curvo en el caso contrario. Ese grado de curvatura es tanto mayor cuanto mayor es la masa del cuerpo. Si la masa del cuerpo es muchas veces mayor que la masa de todo el Sistema Solar, ¿puede causar una curvatura superfuerte del espacio y la detención del tiempo? Sí, esto es posible. Son los agujeros negros.

Sin embargo, y dado que nunca ha podido comprobarse directamente, la Física no tiene del todo claro lo que es realmente una singularidad. ¿Un simple punto de densidad infinita o una especie de irregularidad matemática? Por desgracia, igual que la materia misma, también todas nuestras ecuaciones se "rompen" cuando intentan explicar lo que sucede dentro de un agujero negro.

La propiedad de la «torsión»

Pero una sutil modificación en las ecuaciones originales de Einstein puede dar unos resultados completamente distintos. Y eso es precisamente lo que ha hecho Poplawski. Para su análisis, el científico se basó en la variante Einstein- Cartan- Kibble- Sciama (más conocida por las iniciales de los cuatro investigadores, ECKS). A diferencia de las ecuaciones de Einstein, el modelo ECKS tiene en cuenta el espín (o momento angular) de las partículas elementales. Lo que permite calcular una propiedad de la geometría del espacio tiempo que los físicos llaman "torsión".

Poplawski ha enunciado una nueva teoría que afirma que cada agujero negro es algo así como un portal que transportaría la materia absorbida a otro universo. Según esta teoría, los agujeros negros no destruirían la materia que absorben, sino que esta saldría por un agujero blanco situado en otro universo. Esta teoría encaja perfectamente con la que en su día enunció Einstein para las "singularidades espacio-tiempo" que existen dentro de estos cuerpos. Según la teoría de Einstein, la materia que hay en los agujeros negros no ocupa espacio en el universo, son infinitamente densas y calientes. Así pues, la teoría de Poplawski, aunque pueda parecer descabellada, podría dar una explicación a fenómenos tan importantes como el Big Bang, ya que, si el origen de la materia de nuestro universo proviniera de un agujero blanco, explicaría por qué toda la materia estaba concentrada en un punto al principio.

Cuando la densidad de la materia alcanza proporciones enormes dentro de un agujero negro (del orden de 10⁵⁰ kg por metro cúbico), la torsión se manifiesta como una fuerza que se opone a la gravedad, lo que impide a la materia seguir comprimiéndose indefinidamente en pos de la densidad infinita. Lo que significa, en pocas palabras, que no hay singularidad. En su lugar, asegura Poplawski, la materia "rebota" y empieza de nuevo a expandirse.

Con estas premisas, el científico ha aplicado sus ideas para realizar un modelo del comportamiento del espaciotiempo dentro de un agujero negro en el instante en que éste empieza a "rebotar". Se podría entender el fenómeno pensando en lo que sucede cuando ejercemos presión sobre un muelle: al soltarlo, rebota con fuerza y vuelve a estirarse.

De igual forma, según Poplawski, al principio la gravedad es más fuerte que la fuerza repulsiva de torsión, y por lo tanto empieza a comprimir la materia; pero la repulsión se va haciendo cada vez más y más fuerte hasta que la materia deja de colapsar y rebota, expandiéndose de nuevo.

En otro universo

Los cálculos del físico muestran que el espaciotiempo en el interior de un agujero negro se expande cerca de 1,4 veces su tamaño mínimo en apenas 10‾⁴⁶ s, lo que es una cantidad inimaginablemente corta de tiempo (uno partido por uno y 46 ceros). Y es, según Poplawski, precisamente este rapidísimo rebote lo que dio origen a la expansión del universo que podemos observar en la actualidad.

Pero ¿cómo podemos saber si efectivamente estamos o no viviendo dentro de un agujero negro? Si Poplawski tuviera razón, ninguno de nosotros estaría viviendo dentro de lo que consideramos "nuestro" universo, sino en el interior de un agujero negro que estaría en "otro" universo diferente. Y para comprobarlo no tenemos más que medir si existe una "dirección preferida" en nuestro propio universo.

Un agujero negro en rotación transmite una parte de su espín al espaciotiempo que hay en su interior, lo que conlleva una violación de la simetría que une el espacio con el tiempo. Y se da la circunstancia de que, en lo que consideramos como nuestro universo, esa rotura de simetría ha dejado una pista: la forma en que los neutrinos oscilan entre sus formas de materia y de antimateria.

¿Demasiado retorcido? Puede ser, pero desde luego la idea sirve para obtener algunas respuestas que hasta ahora nos estaban vedadas. Sólo el futuro, y nuevas investigaciones, nos dirán si Poplawski tiene, o no, razón.

La TGR es la base de la cosmología moderna. Al resolver las ecuaciones que se deducen de su teoría aplicada al universo, Einstein llegó a la conclusión de que las dimensiones del universo varían con el transcurso del tiempo, y debe expandirse o contraerse.

Para Newton el universo era homogéneo, infinito en el espacio e invariable en el tiempo, es decir, estacionario. Según esto la materia estaba distribuida en el universo de forma aleatoria, pero de manera más o menos uniforme.

En 1926, el astrónomo Olbers señaló que, si el número de estrellas en el universo es infinito y están distribuidas aleatoriamente, independientemente de la dirección en la que tracemos una recta, tarde o temprano tropezaremos con una estrella (paradoja de Olbers), y la bóveda celeste debería brillar por todas partes, cosa que no es así por lo que la teoría de Newton debe ser corregida.

“Entia no sunt Multiplicanda Praeter Necessitatem” (las entidades no deben multiplicarse más allá de la necesidad)

La teoría actual del origen de nuestro universo se basa en la TGR de Einstein y asume que nuestro universo comenzó desde un estado extremadamente caliente y denso llamado Big Bang.

Con el fin de explicar por qué el universo que observamos hoy parece espacialmente plano, homogéneo e isotrópico a las escalas más grandes, se propuso la teoría de la inflación cósmica, según la cual el universo primitivo pasó por una rápida expansión exponencial. Un gran éxito de la inflación era también predecir la forma de las fluctuaciones de la densidad (que siembran la formación de la estructura en el universo) observada en el WBC (fondo de microondas), aunque esta teoría requiere la existencia de un campo de la materia hipotético con una interacción específica.

Para conservar el modelo del universo estacionario, Einstein introdujo una constante cosmológica que debía equilibrar la fuerza gravitatoria, y así garantizar el régimen estacionario. La introducción de dicha constante era artificial, aparte de no estar claro cómo surgía esa fuerza anti gravitatoria.

Todas las fuerzas de la naturaleza son producidas por alguna fuente. Para explicar la naturaleza de esa constante cosmológica, Einstein se limitó a suposiciones algo chapuceras en el tejido del espaciotiempo. Después Einstein regresó a la forma inicial de sus ecuaciones, sin dicha constante, de la que llegó a decir que había sido el mayor error de su vida.

El Big Bang, sin embargo, no es físico: el universo comenzó siendo un punto de densidad infinita, llamado singularidad. Además, esta cosmología no aborda cuatro cuestiones fundamentales.

¿Qué causó el Big Bang y la subsiguiente expansión rápida del universo?

¿Qué realidad existía antes?

¿Por qué el tiempo cósmico fluye en una dirección?

¿Qué pasó con la antimateria?

La respuesta a estos problemas puede venir de una vieja extensión de la relatividad general, llamada la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan (EC) o de Einstein-Cartan-Sciama-Kibble. Esta teoría extiende la TGR quitando su restricción artificial en la conexión afín del espacio-medio, permitiendo que su parte geométrica llamada torsión sea diferente de cero (como curvatura). Al hacerlo, la gravedad de la EC también explica correctamente el momento angular cuántico-mecánico, intrínseco (Spin) de las partículas elementales llamadas Fermiones.

A densidades extremadamente altas, mucho más grandes que la densidad de la materia nuclear, la torsión se manifiesta como una fuerza contra la gravedad. Como en TGR, las estrellas muy masivas terminan como agujeros negros. La atracción gravitacional, debido a la curvatura, vencería inicialmente la repulsión a la torsión; y la materia en un agujero negro se evaporaría, pero el acoplador entre la torsión y la vuelta (rebote) llegaría a ser eventualmente muy fuerte y evitaría que la materia presionase indefinidamente a la Singularidad, llegando a un estado de densidad finita, extremadamente grande, dejando de colapsar, y rebotaría como un resorte comprimido, comenzando a expandirse rápidamente.

Las fuerzas gravitacionales extremadamente fuertes cerca de este estado causarían una producción intensa de partículas, aumentando la masa dentro del agujero negro en muchos órdenes de magnitud y fortaleciendo la repulsión gravitacional que impulsaría el rebote. El retroceso rápido después de un rebote tan grande explicaría lo que ha llevado a nuestro universo a la expansión. También explicaría por qué el universo que observamos hoy aparece en las escalas más grandes, planas, homogéneas e isotrópicas, sin necesidad de inflación cósmica.

Torsión

Por lo tanto, la gravedad de la EC proporciona una explicación teórica plausible de un escenario, según el cual cada agujero negro produce un nuevo universo bebé y se convierte en un puente Einstein-Rosen que conecta este universo con el universo padre en el que existe el agujero negro. En el nuevo universo, el universo padre aparece como al otro lado del agujero blanco, región del espacio que no se puede encontrar desde el exterior y que se puede pensar como el tiempo al revés de un agujero negro. En consecuencia, nuestro propio universo podría ser el interior de un agujero negro existente en otro universo. El movimiento de la materia a través del límite del agujero negro, llamado un horizonte de sucesos, sólo puede suceder en una dirección, proporcionando una asimetría del pasado-futuro en el horizonte y por lo tanto en todas partes en el universo bebé. La flecha del tiempo en un universo así sería heredada, a través de la torsión, del universo padre.

El nuevo universo en un agujero negro estaría cerrado: finito, pero sin límites. Podría ser considerado como un análogo tridimensional de la superficie bidimensional de una esfera. La formación y la evolución de tal universo no sería visible para los observadores externos en el universo padre, para quienes la formación del horizonte del acontecimiento y todos los procesos subsecuentes ocurrirían después de que hubiera transcurrido una cantidad infinita de tiempo (debido a la doble torsión del tiempo por gravedad). Un universo bebé tendría que separar el espaciotiempo cerrado de su propia cronología. Sin embargo, si estábamos viviendo en un agujero negro giratorio, entonces nuestro universo habría heredado el eje de la rotación del agujero negro como "dirección preferida". Tal eje preferido podría explicar la violación cósmica observada de la paridad: una preferencia por las galaxias espirales para ser espirales zurdas o diestras en diversas regiones del cielo.

La energía de la materia en el rebote grande sería de un orden de magnitud superior a la energía de Planck. Observaciones recientes de fotones de alta energía de rayos gamma indican que el espacio entre las distintas clases de partículas puede comportarse clásicamente incluso a escalas superiores a la energía de Planck. El clásico “SpinTorsion” mecanismo del rebote es así viable. Además, la teoría de las CE pasa todas las pruebas de TGR porque ambas teorías dan predicciones significativamente diferentes sólo a densidades extremadamente altas que existen en agujeros negros o en el universo primitivo.

Además de las implicaciones astrofísicas y cosmológicas, la torsión modifica la teoría de Dirac que describe el comportamiento cuántico-mecánico de los fermiones (quarks y leptones) que forman la materia ordinaria. Estas partículas deben ser extendidas espacialmente, lo que puede resolver los problemas en la teoría cuántica de campos que se deriva de tratarlos como puntos. Esta modificación también puede ser responsable del desequilibrio observado de la materia y antimateria en el universo y podría relacionar la antimateria, aparentemente ausente, con la materia oscura, unas formas misteriosas que no interactúan electromagnéticamente y explicarían la mayoría de la materia en el universo. Finalmente, puede ser la fuente de la energía oscura, o la forma misteriosa de la energía que impregna todo el espacio y aumenta la velocidad de la extensión del universo, permitiendo que crezca infinitamente y también dure infinitamente.

Es un fenómeno geométrico que puede resolver de forma natural todos los problemas fundamentales de la teoría general de la relatividad y la teoría cuántica de campos. La extensión espacial de los fermiones que se presentan de la torsión está en el nivel de la longitud de Planck, que para un electrón es de cerca de 100 millones. Por lo tanto, la existencia del rebote prohibiría que los fermiones fueran secuencias de la escala de Planck.

El acoplamiento entre la vuelta y la torsión también invalidarían otras teorías del espacio-bajo como la gravedad paralela.

A diferencia de las teorías que asumen la existencia de hipotéticos “ObjectsString”, “Supersymmetry-Extra”, dimensiones, inflación cósmica, y muchos otros, la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan es la teoría más simple y natural de la gravedad, basada en la conexión afín como la estructura física fundamental.

Las ecuaciones de Einstein constituyen la base del aparato predictivo de la Relatividad General. De ellas se puede obtener cual es el efecto de la materia sobre la geometría del espacio, y viceversa.

La relatividad general se basa en la maquinaria matemática de la geometría diferencial de las variedades métricas. Así, para formular las ecuaciones de Einstein, necesitamos recordar algunos de los conceptos de la geometría diferencial en variedades métricas.

Todos los índices en las ecuaciones toman valores de 0 a 3 (considerando un espaciotiempo de 4 dimensiones, siendo el tiempo la dimensión 0-ésima). Para la teoría de Poplawski, no se precisarían más dimensiones, pero algunos parámetros de estas ecuaciones sí tendrían que ser cambiados, como la métrica, la curva geodésica y el tensor de Riemman.

Métrica,

Describe cual es la distancia espaciotemporal entre dos sucesos infinitesimalmente juntos.

Símbolos de Chistoffeld,

Describen la variación de los vectores de una base

Es decir, la derivada covariante del vector de la base

a lo largo del vector de la base

es un nuevo vector de componentes

En una variedad con una métrica definida, los símbolos de Chistoffeld se determinan completamente a partir de la métrica,

Curva geodésica:

Una curva geodésica,

es aquella curva que une cualquiera de sus dos puntos con una distancia espaciotemporal estacionaria. Se puede determinar, para cierto parámetro

mediante la siguiente ecuación diferencial, donde los puntos indican derivación parcial respecto

Tensor de Riemman,

Describe la curvatura de la variedad métrica, es decir, da el grado de desviación relativo de dos curvas geodésicas próximas. Se determina enteramente a partir de los símbolos de Chistoffeld,

Tensor y escalar de Ricci:

Se definen como las diferentes contracciones del tensor de Riemman,

Las ecuaciones de Einstein determinan las características de la variedad métrica, nuestro espaciotiempo, a partir de la distribución de masa y energía que puebla el espacio. Dicha distribución de masa y energía viene descrita por el tensor de energía-impulso,

que se define como la densidad de la componente

-ésima del cuadrimomento que atraviesa una hipersuperficie

constante.

Las ecuaciones de Einstein tienen la siguiente forma:

donde

siendo G la constante de la gravitación universal de Cavendish.

A veces, el término izquierdo de las ecuaciones de Einstein se resume definiendo el tensor de Einstein.

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