univers gemelos contra materia oscura, materia negra, energía oscura y constante cosmológica
- La era radiativa..
La idea es que las llamadas constantes de la física se comportan como constantes absolutas durante la era de la materia, pero cambian radicalmente durante la era radiativa. Esto puede parecer muy artificial, pero esta idea podría resolver el problema de la homogeneidad del universo primitivo, como recientemente señalado por varios autores, como Magueijo (1999), aunque el autor lo descubrió 13 años antes, a finales de los años 80 ([44],[45], [46]) y luego lo desarrolló ( [4] y [47] ). En primer lugar, notemos que la elección del reloj temporal t sigue siendo arbitraria. No es otra cosa que "la manera en que pensamos que las cosas sucedieron". El tiempo absoluto no tiene sentido en cosmología. Ningún fenómeno existe "realmente" si no hay un observador en el Universo para mirarlo, para comparar una sucesión de eventos con su propio flujo temporal. En la actualidad, todo se compara con el tiempo del observador, de la manera en que lo vive. Pero el pasado y el futuro dependen de la manera en que él los imagina, ya que no puede viajar al pasado o al futuro. El pasado y el futuro no son otra cosa que imágenes que formamos. Diremos que estas imágenes son correctas si corresponden a fenómenos locales particulares, que llamamos "observaciones", "medidas". Consideremos las "constantes de la física". Fueron descubiertas bastante recientemente. Son la velocidad de la luz c, la constante gravitacional G, la constante de Planck h, las masas de las partículas, la carga eléctrica elemental e, la permitividad del vacío ε₀, y algunas otras. Las mediciones realizadas en laboratorio no muestran ninguna variación significativa. La gente ha intentado estudiar el impacto en largos períodos de un cambio de estas constantes en diversos fenómenos cósmicos. Pero han variado estas constantes una por una, independientemente. En tales condiciones, se puede mostrar que una ligera variación de una constante aislada produce contradicciones con los datos observacionales. Pero ¿qué ocurre con las variaciones conjuntas? Sorprendentemente, podemos concebir una variación conjunta de todas las constantes, que no puede ser detectada en laboratorio, ya que los instrumentos del laboratorio están construidos según las ecuaciones fundamentales de la física. Si este proceso de gauge mantiene invariantes estas ecuaciones, será imposible detectar la variación de cualquier constante, ya que los instrumentos y las constantes que se supone que miden experimentan desviaciones paralelas. Imagina que quieres medir la longitud de una mesa de hierro, con una regla de hierro. Ambos están a temperatura ambiente. Si la longitud de la mesa se encuentra constante en el tiempo, no puedes jurar que esta longitud no varíe, ya que esta mesa y tu regla graduada podrían sufrir una variación de temperatura ambiente y dilatarse de la misma manera. Busquemos, por lo tanto, un tal proceso fundamental de gauge. Consideremos, por ejemplo, la ecuación del campo, donde aparece la constante de Einstein. Suponemos que la divergencia de esta ecuación es nula, lo que, en la aproximación newtoniana, corresponde a la conservación de la materia y la energía. Si no es así, debemos introducir un término fuente. Según esta hipótesis, la constante de Einstein c debe ser una constante absoluta. ¿Implica esto que G y c deben ser constantes absolutas? Definitivamente no. Solo implica que:
Como se introdujo por primera vez en 1988, suponemos que todas las formas de energía se conservan, pero no las masas, la carga eléctrica, etc. Esto da, por ejemplo:
En física, todos los estudiantes conocen la técnica llamada análisis dimensional. Dado un problema físico regido por una ecuación, o un conjunto de ecuaciones, se producen longitudes características, tiempos y números compuestos a partir de las constantes y los datos experimentales. Ahora, consideramos que todo lo que está presente en la ecuación puede variar, incluyendo las "constantes". Ponemos todo en una forma sin dimensiones. Consideremos, por ejemplo, la ecuación de Boltzmann:
Introducimos una escala de longitud característica R y una escala de tiempo característica T:
La ecuación se convierte en:
Vemos que la longitud de Schwarzschild varía como el factor de escala R. Para resumir, obtenemos:
Vemos que la longitud de Jeans Lj varía como R, mientras que el tiempo de Jeans tj varía como T. R y T están relacionados por una relación que evoca un modelo de Friedmann. Pero si lo miramos más atentamente y lo consideramos como una relación de gauge, esto significa que las leyes de Kepler también son invariantes:
Por cierto, al introducir las presiones (como densidades de energía), obtenemos las variaciones de gauge de estos parámetros y vemos que las energías posteriores se conservan (en este modelo, todas las formas de energía se conservan durante la era radiativa). Así, hemos determinado la manera en que la velocidad de la luz c varía en función de la densidad de energía cuando el radiación domina.
Ahora, consideremos la ecuación de Schrödinger:
Introducimos una expresión sin dimensiones del potencial y transformamos esta ecuación:
Como resultado, la energía permanece inalterada por este proceso de gauge. La constante de Planck h crece con T, como se conjeturó por primera vez por Milne [48]. Las longitudes características:
varían como el factor de escala espacial R, mientras que el tiempo de Planck tp varía como el factor de escala temporal T. Desde este punto de vista, la evolución durante la era radiativa se concibe como un proceso de gauge. Esto hace que la "barra de Planck" sea problemática. ¿Tiene realmente sentido la era "pre-cuántica"? Ahora, para terminar, debemos tratar las ecuaciones de Maxwell.
Continuemos realizando este tipo de "análisis dimensional generalizado". Obtenemos:
Para mantener la estructura de los átomos durante el proceso de evolución, suponemos que la constante de estructura fina es una constante absoluta, lo que da la solución completa:
Obtenemos fácilmente:
Como podemos ver, durante la era radiativa, si la evolución cósmica se identifica con un proceso de gauge, todas las longitudes características varían como R (arriba, el radio de Bohr), todos los tiempos característicos varían como T, y todas las energías son constantes.
Todas las constantes, las escalas espaciales y temporales están involucradas en este proceso de gauge, que puede ser descrito eligiendo cualquiera de ellas. Podemos tomar T como nuestro marcador temporal t.
A continuación, la variación de las constantes durante la era radiativa en función de la presión radiativa pr:
Si suponemos que los valores de las constantes dependen de la presión radiativa, introduciendo un valor crítico pcr, a definir, podemos escribir:
Go, mo, ho, co, ε₀ corresponden a los valores actuales. Suponemos que estas condiciones críticas se alcanzan para un valor t = tcr del marcador temporal elegido.
lo que corresponde a la figura 16.
Fig. 16 : Variación de las constantes durante la era radiativa.
t >> tcr corresponde a la era de la materia
- La homogeneidad del Universo.
Cualquier modelo requiere una confirmación observacional. Figura 17, a la izquierda, el paradoja clásica de la homogeneidad del universo primitivo. «Explicación clásica»: la «teoría de la inflación», requiriendo hipótesis pesadas. Hoy en día, algunas personas comienzan a considerar un modelo con constantes variables, incluyendo una variación secular de c. A esto se le llama «VLS»: «velocidad de la luz variable». De hecho, desarrollé esta idea en 1988 [44]. Con la variación temporal sugerida de c, que, con la sección anterior, hace que el horizonte varíe como R(t), asegurando así la homogeneidad en cualquier momento.
Fig. 17 : **El horizonte, según el modelo estándar y según el modelo actual. **
- **Cuando el adverbio «antes» falla. **
Como se dijo anteriormente, un marcador temporal corresponde a una elección arbitraria. No tiene un significado intrínseco. En el modelo estándar, si consideramos el pasado lejano del Universo, la temperatura aumenta y las velocidades de los elementos tienden a c. Todas las partículas se vuelven relativistas, lo que plantea una pregunta: «¿cómo construir un reloj, con qué material?». Cuando miramos un reloj, ¿qué estamos mirando? La rotación de una aguja. Una vuelta corresponde a un minuto, o una hora. Una vuelta de la Tierra alrededor del Sol corresponde a un año. Sin importar cómo lo llamemos, esta rotación de 360° tiene un significado físico real. Es un evento indudable. Del mismo modo, podemos considerar un sistema de referencia compuesto por dos masas m en órbita alrededor de su centro de gravedad común. Podemos llamarlo nuestro «reloj elemental». En un gas en equilibrio termodinámico, la energía disponible se distribuye entre la energía de traslación, la energía de rotación, la energía vibracional. Un par de partículas en órbita alrededor de su centro de gravedad común es concebible si la energía del sistema es comparable a la energía de las partículas libres que recorren alrededor. En un sistema con constantes variables, esto es posible. Entonces, podemos contar el número de vueltas, usando el marcador temporal t, que no tiene un significado real: es solo un marcador cronológico.
Fig.18 : El reloj elemental.
¿Qué significa esto? Según esta descripción del Universo, un número infinito de «eventos elementales» ocurrió en el pasado. Si este reloj corresponde a una medida del tiempo, el pasado es infinito y el marcador temporal t no es otra cosa que una ficción. Damos una imagen. Supongamos que visitas a un editor y dices: «Quiero publicar un libro de dos pulgadas de espesor». Depende del ancho de las páginas. Podrías engañar al editor si usas páginas cuyo ancho tiende a cero al intentar leer «las primeras páginas». Aunque el ancho global del libro parezca finito, cuenta una historia infinita. La buena pregunta que el editor debería hacerte es: «¿Cuántos tipos hay en tu libro, cuántas frases, palabras, letras?». Una letra de tu libro puede compararse a un «evento elemental». Como tu libro, llamado «Historia del Universo», se extiende hacia el pasado, muestra un número infinito de «eventos elementales», no tiene principio y nunca lograrás leer la introducción del autor. Por otro lado, como se muestra en la referencia [4], el número de vueltas de nuestro reloj elemental corresponde a la entropía por baryón. Log t también se llama «tiempo conforme». De hecho, si se elige como nuevo marcador temporal, la métrica se convierte en plana conforme:
En la sección anterior, encontramos que el tiempo de Planck varía como el marcador temporal t. Esto significa que cuando retrocedemos hacia la llamada «singularidad inicial (t = 0)», el tiempo de Planck se reduce. ¿Qué significa esto? No lo sé. De cualquier manera, este modelo no resuelve todos los problemas. No hemos tratado las interacciones fuertes y débiles. Es solo una visión diferente de lo que llamamos «tiempo».
- Instabilidades gravitacionales conjuntas.
En la sección 3, presentamos un modelo de galaxia confinada por su entorno de materia gemela repulsiva. Este trabajo fue semiempírico. En esta sección, presentamos una solución exacta con simetría esférica. Si partimos de las ecuaciones acopladas del campo, suponemos que son sin divergencia
A partir de estas ecuaciones, se puede derivar la ecuación de Euler. El método es completamente similar al aplicado a la ecuación de Einstein.
Acoplado a la ecuación de Poisson:
El método clásico de perturbaciones da dos ecuaciones acopladas del tipo Jeans, Lj y Lj siendo longitudes de Jeans características.
Una solución estacionaria con simetría esférica, con condiciones iniciales:
En la figura 19, la solución numérica típica.
Fig. 19 **: Instabilidades gravitacionales conjuntas. **Formación de un cúmulo de materia rodeado de un entorno de materia gemela repulsiva.
**Nota (2007, 23 de mayo): **
La forma general de las curvas depende de las condiciones iniciales. Las condiciones elegidas son arbitrarias y corresponden a densidades de masa iguales y velocidades térmicas iguales en los dos pliegues. Sin embargo, encontramos una característica interesante. En la figura 19 bis, podemos trazar la dirección del campo gravitacional:
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** Fig 19 bis : Efecto «halo de materia oscura» **
El campo gravitatorio induce un efecto de lente gravitacional. Este último es una medida del campo gravitatorio, independientemente de la fuente de este campo. En nuestra teoría, la materia ordinaria, la de nuestro "pliegue", aporta su propia contribución. La "materia gemela" también aporta su contribución (se comporta como material de masa negativa).
Si elegimos considerar que los efectos de lente gravitacional fuertes observados se deben a alguna misteriosa "materia oscura", dado el campo gravitatorio y la distribución de la materia visible, se puede calcular la distribución de esta materia oscura, si existe. En la figura 19bis observamos una inversión de la dirección del campo gravitatorio, lo que va acompañado de una variación correspondiente de la lente gravitacional local. Según el modelo de materia más materia oscura, podríamos calcular la distribución de la materia oscura que daría lugar a los efectos de lente correspondientes. Considerando la figura de arriba de la Fig 19 bis, deduciríamos que este cúmulo está rodeado por "una cáscara hueca de materia oscura". La imagen de abajo sugiere esta conclusión.
Como sabemos, el telescopio Hubble ha descubierto recientemente un "halo de materia oscura". Véase la siguiente figura.
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** Fig 19 ter : El "halo de materia oscura" descubierto por el telescopio espacial Hubble en 2007, may. Como "deducido de cálculos". **
Sorprendentemente, este halo está centrado en el cúmulo galáctico visible. Creemos que no corresponde a una estructura plana, sino a una estructura simétrica esférica. *Predecimos que estructuras similares serán descubiertas pronto. En cualquier caso, el "halo" estará centrado en el cúmulo, por lo que el astrónomo admitirá que no es un halo, sino "alguna especie de estructura hueca". *
La estructura del halo podría considerarse como el resultado de un antiguo encuentro (parecido a un anillo de humo).
Supongamos que mi predicción sea confirmada. Si los astrónomos tienen que admitir que estas observaciones corresponden a una estructura simétrica esférica, ¿cómo modelizarán esta cáscara de materia oscura hueca?
Si esto se confirma, podría aportar elementos para elegir entre el modelo de materia más materia oscura y el modelo de universo gemelo.
- La confinación de galaxias esféricas.
En la sección 7, figura 11, dijimos que el campo debido a un agujero en una materia de energía negativa uniforme era equivalente al campo creado por una esfera equivalente, llena de materia de energía positiva y rodeada de vacío. Ahora hay que justificarlo. Recordemos cómo se construye la relación con la ecuación de Poisson en la teoría clásica (véase por ejemplo [52]).
Esto da (a) :
Se escribe (b). Con (d) y (c), la ecuación (b) se identifica con la ecuación de Poisson. Pero inmediatamente hay que notar que la métrica perturbada dada corresponde a condiciones de estado estacionario. Esto es concebible solo si la solución de orden cero (la métrica de Lorentz) corresponde a un universo vacío, donde no actúan fuerzas gravitatorias ni presión.
Entonces hay un vínculo entre el campo y las ecuaciones de Poisson. Pero si se supone que el universo no está vacío y es uniforme, este método ya no es válido, ya que no podemos referirnos a una métrica de estado estacionario. ¿Cuál es el impacto? No se puede definir un potencial gravitatorio en un universo uniforme, lleno de material de densidad constante. Si miramos la ecuación de Poisson (e), escrita en coordenadas esféricas y si suponemos que r es constante, encontramos la solución esférica (f) y el campo gravitatorio correspondiente es (g). ¿No es sorprendente encontrar una fuerza gravitatoria no nula, dirigida hacia un centro arbitrario de coordenadas y que tiende al infinito con la distancia radial? Explicación: esta pseudosolución no es correcta, ya que la ecuación de Poisson no existe en un universo uniforme en estado estacionario. El campo es cero en todas partes, lo cual parece más físico.
Fig. 20 : Agujero esférico en una distribución de materia gemela de densidad constante y potencial gravitacional asociado.
La figura (b) muestra el campo gravitatorio alrededor y dentro de una esfera llena de material de densidad positiva constante (como la Tierra). En (c) el potencial gravitacional asociado. Si invertimos las flechas de (b), obtenemos el campo asociado a una esfera llena de masa negativa. Si se suma esto a (a), obtenemos una región uniforme e ilimitada, llena de masa negativa, con un campo nulo, por lo que (a) muestra el campo dentro de una cavidad esférica, que no es nulo. Obtenemos un efecto de confinamiento e intensidad del campo máxima en el borde interno. Esto explica por qué las galaxias espirales mantienen sus brazos y por qué la disminución de la densidad del gas del disco es tan abrupta en la periferia.
