Gran explosión, constante cosmológica y gravedad cuántica: maravillas del siglo

Transcripción

1 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

2 Outline 1 Nuestra visión del universo

3 Outline 1 Nuestra visión del universo 2 Problema de la Gran Explosión

4 Outline 1 Nuestra visión del universo 2 Problema de la Gran Explosión 3 Problema de la constante cosmológica

5 Outline 1 Nuestra visión del universo 2 Problema de la Gran Explosión 3 Problema de la constante cosmológica 4 Problema de la gravedad cuántica

6 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

7 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

8 El universo 01/31 Gran Explosión Constante cosmológica Partículas y gravedad Gravedad cuántica Observaciones

9 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 α QED, vida media del muón, Higgs,... ).

10 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,... ).

11 04/31 Tres problemas Problema de la Gran Explosión Problema de la constante cosmológica (energía oscura) Problema de la gravedad cuántica

12 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

13 05/31 La voz de la gravedad

14 06/31 Singularidades en agujeros negros

15 07/31 Cosmología

16 08/31 Distribución de galaxias

17 09/31 Expansión cósmica Ley de Hubble

18 10/31 Singularidad cósmica

19 El universo 10/31 Gran Explosión Constante cosmológica Singularidad cósmica Gravedad cuántica Observaciones

20 10/31 Singularidad cósmica

21 11/31 Origen y escape Soluciones singulares de las ecuaciones de Einstein R µν 1 2 g µνr = 8πGT µν son típicas. Teorema de Borde Guth Vilenkin (2003): Sea (M, g) un espaciotiempo con una congruencia u µ definida continuamente a través de cualquier geodésica v µ dirigida hacia el pasado de tipo tiempo o nula (el observador). Obedezca u µ a la condición de expansión promedia H av > 0 para casi cualquier v µ. 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.

22 12/31 Singularidad de BKL

23 13/31 Billar cósmico

24 14/31 Ideas bonitas y sencillas (que no funcionan) Buscar soluciones no singulares. Cambiar la dinámica: L = R f (R).

25 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

26 15/31 Cosmología de precisión

27 16/31 Radiación cósmica de fondo (CMB)

28 16/31 Radiación cósmica de fondo (CMB)

29 El universo 16/31 Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Radiación cósmica de fondo (CMB) Observaciones

30 17/31 Qué información sacamos del CMB? Curvatura del universo

31 17/31 Qué información sacamos del CMB? Curvatura del universo

32 17/31 Qué información sacamos del CMB? Constante cosmológica

33 18/31 Cuál es el problema? Viejo : su valor es muy pequeño (ρ Λ m 4 Pl = g cm 3 ) y no se explica por la física que conocemos. Ejemplo: ρ eq m 4 Pl es calculable. Nuevo : Porqué ρ Λ = O(ρ m )? Coincidencia: Porqué Λ domina a tiempos tan recientes? Energía oscura: no sabemos qué es!

34 19/31 Ideas bonitas y sencillas Que no funcionan: Supersimetría. ρ vac m 4 Pl 1056 ρ Λ.

35 19/31 Ideas bonitas y sencillas Que no funcionan: Supersimetría. ρ vac m 4 Pl 1056 ρ Λ. Quintesencia. ρ Λ = ρ φ, campo dinámico, sintonía fina de las condiciones iniciales.

36 19/31 Ideas bonitas y sencillas Que no funcionan: Supersimetría. ρ vac m 4 Pl 1056 ρ Λ. Quintesencia. ρ Λ = ρ φ, campo dinámico, sintonía fina de las condiciones iniciales. Gravedad modificada. f (R), arbitraria, sintonía fina moderada,...

37 19/31 Ideas bonitas y sencillas Que no funcionan: Supersimetría. ρ vac m 4 Pl 1056 ρ Λ. Quintesencia. ρ Λ = ρ φ, campo dinámico, sintonía fina de las condiciones iniciales. Gravedad modificada. f (R), arbitraria, sintonía fina moderada,... Modelos de vacíos. Tensión con las observaciones.

38 19/31 Ideas bonitas y sencillas Que no funcionan: Supersimetría. ρ vac m 4 Pl 1056 ρ Λ. Quintesencia. ρ Λ = ρ φ, 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: m 4 Pl < ρ Λ < m 4 Pl.

39 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

40 20/31 Perspectiva cosmológica Coincidentia oppositorum: área donde se encuentran física de partículas y gravedad. Area de conocimiento experimental muy activa!

41 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?

42 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.

43 23/31 Gran explosión y gravedad cuántica Cosmología cuántica canónica: interpretación probabilística.

44 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.

45 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 E 10 /K(E 10 ) (pura simetría!).

46 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 E 10 /K(E 10 ) (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.

47 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 E 10 /K(E 10 ) (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.

48 El universo 24/31 Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones Funciones de onda: cosmología canónica El big bang ocurre con probabilidad a

49 24/31 Funciones de onda: cosmología de lazos El big bang se salta.

50 24/31 Funciones de onda: cosmología de lazos El big bang se salta.

51 26/31 Funciones de onda: modelo de coset E 10 /K(E 10 ) 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 E 10 /K(E 10 ): S 11D SUGRA S[ν] = dt n(t) P(t) P(t) P(t) = 1 2 [d ln ν(t) dt + ( t d ln ν(t) ) ] dt

52 27/31 Λ y gravedad cuántica Cosmología cuántica canónica: interpretación probabilística.

53 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.

54 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).

55 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.

56 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.

57 28/31 Λ como un condensado BCS Λ = Λ 0 exp( j z 5 ) = Λ0 exp( ψγ 5 γ z ψ) FERMI SURFACE Perturbative vacuum Fermionic Fermi Dirac statistics Occupation Number n(k) CONDENSATION Nonperturbative vacuum 1 Bose Einstein statistics Momentum k

58 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

59 29/31 Observaciones presentes y futuras PLANCK: radiación cósmica de microondas y su polarización

60 30/31 Observaciones presentes y futuras aligo: ondas gravitatorias

61 El universo 31/31 Gran Explosión Constante cosmológica Gravedad cuántica Observaciones presentes y futuras Euclid: energía oscura Observaciones

62 ... E quindi uscimmo a riveder le stelle.