¿Qué clase de explosión fue el Big Bang?

miércoles, 4 de julio de 2012

¿Qué clase de explosión fue el Big Bang?

Publicado/Traducido, por Pedro Donaire el 7/04/2012 07:53:00 PM

Referencia y más información: NewScientist.com ,

Autora: Amanda Gefter, 2 de julio 2012

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[Este artículo es un recorrido por las distintas teorías acerca del Big Bang, y requiere un cierta comprensión previa de dichas teorías]. 

Hay problemas con el inicio de los tiempos: la teoría de la inflación cósmica está fuera de control. ¿Podrá la teoría cuántica y la de hologramas domesticarla?

La voz de Max Tegmark se anima cuando habla acerca de las ideas que sustentan nuestra historia de los orígenes del universo. La teoría de la inflación cósmica declara que en la primera fracción de segundo después del Big Bang, el tejido del universo se expandió más rápido que la luz. Sin un truco como ese, tendríamos dificultades para cuadrar algunas de las características fundamentales del cosmos de hoy, junto con un universo que comenzó siendo una sopa  densa y caliente y que ha ido creciendo y enfriándose desde entonces.

Sin embargo, Tegmark, un cosmólogo del Instituto Tecnológico de Massachusetts, no es la única persona que se pregunta si la inflación seguirá aguantando las acometidas. Pese a todos sus atractivos, la teoría tiene consecuencias desagradables, tan desagradables que amenazan con socavar toda nuestra comprensión del cosmos. El debate ha vuelto a reabrirse y descansa sobre una cuestión que muchos pensaban que ya se había resuelto: ¿qué clase de explosión fue el big bang?

Cuando se propuso la teoría de la inflación, allá por 1980, por Alan Guth, que entonces era un joven estudiante de posdoctorado en la Universidad Cornell en Ithaca, Nueva York, aquello fue como un regalo del cielo. Los estudios de la radiación de fondo cósmica estaban causando serios dolores de cabeza entre los defensores del Big Bang.

Esta radiación, por sí misma, parece ser una confirmación espectacular de la teoría del Big Bang. A unos 380.000 años después del origen del universo, desde una "singularidad" de una densidad y temperatura inimaginable, el cosmos se había expandido y enfriado lo suficiente para que empezaran a formarse los primeros átomos. Los fotones de la luz salieron de estos átomos y han estado viajando en todas direcciones a través del cosmos desde entonces. Y en nuestro puesto particular, a unos 14 mul millones de años después, lo vemos como una radiación de fondo que baña el cielo a una temperatura casi uniforme de 2,7 grados Kelvin.

Pero tras ese éxito se esconde algunos otros detalles problemáticos. Uno de ellos es que podemos medir el fondo cósmico a 10 millones de años luz de distancia en una o otra dirección, y todavía observamos esa misma agradable uniformidad. Para recorrer una historia sencilla del cosmos en constante expansión hacia atrás, se necesitarían unos 20 mil millones de años para que estos parches del espacio pudieran converger, más de la edad del universo. En un simple universo big-bang, nunca estarían lo suficientemente cerca como para igualar sus temperaturas, y esa la uniformidad es una coincidencia altamente improbable.

Entonces existe una geometría del universo. La información codificada del fondo cósmico muestra un espacio extremadamente "plano": la geometría euclidiana rige suprema y las líneas paralelas nunca se encuentran. Esta llanura es muy poco probable, dado lo que sabemos acerca de la gravedad y su tendencia a curvar el espacio. Una vez más, un simple Big Bang no puede explicarlo.

La presión inflacionaria

Un big bang inflacionario puede que sí. Al principio de los tiempos, de esta guisa va esta idea, todo lo que existía era un campo cuántico llamado inflatón. Éste se hallaba en un "falso vacío", un estado, temporalmente estable, aunque no es el estado de energía más bajo de un auténtico vacío. Es como si el inflatón estuviese balanceado sobre una pequeña meseta de una ladera empinada. En condiciones equiparables, podría descansar ahí sin alteraciones, pero en cuanto hubiese agitación se precipitaria hacia el verdadero vacío de abajo.

En la primera fracción de segundo del universo, todas las cosas no estaban equiparadas. Las fluctuaciones cuánticas aleatorias de la energía producían justo el zarandeo que podía colocar el inflatón en su camino. Al caer hacia el verdadero vacío, esto generó una especie de gravedad repulsiva que empujó el espacio hacia su alrededor. Cuanto más caía, más espacio empujaba en un abombamiento hacia afuera a una velocidad mucho mayor que la de la luz.

Esto es físicamente todo el escenario. La relatividad de Einstein prohíbe que loss objetos viajen más rápido que la luz a través del espacio, pero no impone limitaciones sobre lo que el mismo espacio puede hacer. Y cuando el inflatón tocó fondo, toda la energía cinética que adquirió en su apresurado descenso se vertió en el universo, la creación de la materia y la radiación pasó a formar las estrellas, los planetas y, finalmente, a nosotros. Todo esto ocurrió en mucho menos de un abrir y cerrar de ojos: en tan sólo 10 a 33 segundos, el universo observable se agrandó más de 20 órdenes de magnitud su tamaño, desde el diámetro de una milmillonésima de un núcleo atómico a la de un mini-cosmos de una centímetro de diámetro (ver diagrama).

Universos no deseados

De una caída en picado, la inflación resuelve los problemas del Big Bang. Esos parches de espacio no necesitan de un retroceso de 20 mil millones de años para encontrarse y mezclarse: la inflación les dio el escape que necesitaban para asegurarse de que llegaran más rápido y más lejos del cosmos. Y esa absurdamente improbable planitud no es nada de esa clase: la inflación hace que el universo sea tan grande que ninguna región medible debería ser plana, de la misma manera el suelo a sus pies se ve plano, a pesar de que la superficie de la Tierra es curva.

El altruismo de la inflación no se detuvo ahí. Al inflar pequeñas fluctuaciones cuánticas de la densidad del cosmos a proporciones astronómicas, se produjo un patrón de agrupación de cosas dentro de las cada vez más grandes aglomeraciones de materia, como las galaxias que vemos en la actualidad.

"Ese habría sido el punto perfecto de la inflación para ceder, esperar a los aplausos y dejar la etapa de salida", comenta Tegmark. Pero no sucedió así. En vez de eso, la inflación se mantuvo más de previsto, incluso en más cosas que nadie quería.

Esos otros universos

El problema es que la inflación, una vez que se inicia, es casi imposible de detener. Incluso en los pequeños cosmos de pre-inflación, las fluctuaciones cuánticas ya garantizaban que el campo de inflación tenía distintas energías en lugares diferentes, algo así como una montaña que tiene muchas pelotas en precario equilibrio a distintas alturas. De forma que cuando cada una comienza a rodar, se inicia la inflación de una región distinta del espacio, que echa hacia fuera a las otras a velocidades superiores a la de la luz. Debido a que no hay influencia que pueda viajar más rápido que la luz, estos mini-universos se separan completamente unos de otros. A medida que el inflatón continúa su rápido descenso en cada uno de ellos, más y más trozos de espacio comienzan a florecer con existencias independientes: se forma un infinito "multiverso" de universos (ver diagrama).

Esto no es una buena noticia para nuestras esperanzas de iluminación cósmica. En un único universo, una teoría básica de la física podría ofrecer una predicción de cómo podría ser la forma plana del universo, o del valor de la energía oscura, esa misteriosa entidad que parece estar impulsando una expansión acelerada del universo. Los astrónomos podrían salir y probar esta predicción y contrastarla con las observaciones.

Eso no es posible en un multiverso infinito: no hay predicciones concretas, únicamente probabilidades. Todos los valores imaginables de la energía oscura o de cualquier otra cosa existirá un número infinito de veces, entre el infinito número de universos, y cualquier teoría universal de la física que pretenda su validez en todo el multiverso debe reproducir todos esos valores. Esto hace que las probabilidades de observar cualquier valor particular del infinito, lo divide por el infinito: un sinsentido que los matemáticos llaman "indefinido".

Al principio, los cosmólogos esperaban dar sentido a estos infinitos tomando una instantánea finita del multiverso en algún momento determinado, y luego extrapolar las probabilidades relativas de varias observaciones a ese número cada vez mayor de los universos. Einstein frustró este enfoque. Su relatividad significa que no hay un solo reloj pasando los segundos del multiverso, sino un número infinito de formas de obtener una instantánea de ello, dando cada uno un conjunto diferente de probabilidades. Este "problema de medida" destruye la capacidad de la inflación para hacer predicciones sobre cualquier cosa, incluyendo el fondo cósmico, la curvatura del espacio, o cualquier cosa que, en principio, nos haya hecho creer en esta teoría.

"Pensamos que la inflación predice un universo liso y plano," señala Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton, un pionero de la inflación que se ha convertido en un ruidoso detractor. "En vez de ello, predice cada una de las posibilidades un número infinito de veces. Volvemos al punto de partida". Tegmark está de acuerdo: "La inflación se ha destruido a sí misma. Tiene una lógica autodestructiva.”

Sean Carroll, cosmólogo del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, es más prudente. "La inflación sigue siendo el paradigma dominante", dice. "Pero hemos llegado a estar mucho menos convencidos de su certeza". Y no es sólo por un problema de medida. En el fondo, no sabemos lo que es un campo de inflación, por qué se encuentra en un falso vacío ni de dónde procede su energía. Tener un campo de inflación tan bien posicionado pero tan precariamente encima de esa ladera de montaña, no parece la situación más probable que tengamos la suerte de que nos lo explique. "Si coges un universo de un sombrero, no va a ser precisamente uno que se haya iniciado con la inflación", añade Carroll.

Así que si no es la inflación lo que hizo al universo tal y como lo vemos hoy día, ¿qué fue entonces? ¿Existen otros tipos de predicciones del Big Bang, que encajen con nuestras observaciones, y que no tengan los efectos colaterales no deseados de la inflación?

Quizá. En 2001, Steinhardt fue uno de los primeros en sugerir una alternativa, junto con sus colegas Justin Khoury, Burt Ovrut y Neil Turok. Su idea era revisar de nuevo nuestra interpretación del big bang. y en lugar de encontrarnos con una singularidad en el comienzo absoluto del espacio y del tiempo, tan sólo tenemos un evento reciente dentro de una historia mucho más larga. La inspiración para esta idea surgió de la teoría de cuerdas, un enfoque más amplio para abarcar la teoría de la relatividad general de Einstein, la cual describe mejor el tiempo y el espacio, y puede conjugar muy bien con la mecánica cuántica, que describe mejor todo lo demás.

La teoría de cuerdas propone que las diversas partículas que forman la materia y transmiten las fuerzas son las vibraciones de unas minúsculas cuerdas mecánico-cuánticas, incluyendo una que produce un "gravitón", una partícula aún no detectada que transmite la gravedad. También predice la existencia de dimensiones extra más allá de las cuatro que observamos, de tiempo y espacio.

Drenaje de branas

Esto nos dirige a la posibilidad de que nuestro universo en 4D se halle en una "brana", un objeto de pequeñas dimensiones flotando en un espacio de más dimensiones. En esta imagen, la nuestra, no es necesariamente la única membrana: hay dos membranas que flotan a una distancia microscópica de distancia la una de la otra, que pueden conformar los límites de un espacio de cinco dimensiones entre medio, como la delimitación de dos rebanadas de pan de molde. La idea de Steinhardt y sus colegas era que cada pocos billones de años, más o menos, las branas vecinas que flotan juntas se tocan, a consecuencia de ello se produce un  intercambio explosivo de energía donde la quinta dimensión desaparece brevemente en una singularidad, reapareciendo cuando las branas se separan de nuevo (ver diagrama). Nuestra brana en 4D recibe una inyección enorme de energía por esta colisión, algo que interpretamos como un Big Bang. No representa el comienzo absoluto de nuestro espacio y tiempo, sino una revitalización de un cosmos con una existencia eterna (Physical Review D, vol 64, p 123522).

Este "modelo cíclico" del Big Bang hace mucho de lo que se supone que hace el big bang inflacionario. "Se pueden resolver problemas que de otro modo serían intratables sin la inflación dada hace sólo 14 mil millones de años", declara Steinhardt. Las branas son esencialmente planas, para empezar, por lo que desaparece el problema de planitud. Cuando chocan las branas, es casi al mismo tiempo en todas partes, por lo que la energía que forma la materia y la radiación se derrama casi uniformemente, creando un cosmos casi homogéneo. Las pequeñas fluctuaciones de la energía cuántica son necesarias para dar la variación de densidad suficiente para sembrar posiblemente las galaxias. Y porque la idea no necesita del multiverso, el problema de la medida desaparece.

Aunque no sirva para otra cosa, el modelo cíclico introduce una cierta competencia en el mercado de los big bang. "Esto demuestra que no hay que aferrarse a la inflación, también son posibles otras ideas", señala Steinhardt. "Pero el que te guste o no esta alternativa es una cuestión de gusto."

No todo el mundo está de acuerdo. Los modelos de Big Bang que implican una singularidad en nuestro espacio-tiempo, incluyendo el Big-Bang inflacionario, nos exime pulcramente de explicar lo que sucedió en los inicios del universo: la singularidad es un lugar donde el universo se cae al precipicio de la existencia y las leyes de la física se rompen. Pero en el modelo cíclico, debemos explicar cómo sobrevive la quinta dimensión a su lapso momentáneo dentro de una singularidad. "Para mí, esto no parece funcionar", dice Thomas Hertog, de la Universidad Católica de Leuven (KUL), en Bélgica, que trabajó en esta idea durante un par de años. "Los cálculos sugieren que la transición a través de una singularidad es altamente improbable."

Las numerosas colisiones entre las branas que implica el modelo, simplemente agravan el problema, comenta Carroll. "Si seguimos el universo cíclico hacia atrás en el tiempo, las condiciones que se necesitan son cada vez más y más especiales, o poco probables". La manera de resolver ese problema es postular algún tipo de comienzo que proporcione un conjunto especial de condiciones, pero eso parece frustrar el objeto de la teoría.

Muchas historias

Así que, si ni la inflación ni el universo cíclico pueden darnos un principio plausible del cosmos, ¿qué podría hacerlo? Carroll sugiere un camino intermedio. Steinhardt parece haber tenido la idea correcta en la búsqueda de una respuesta a este acertijo del big bang, dentro de una unificación de la relatividad general y mecánica cuántica. No obstante, la respuesta podría quedarse en usar estas ideas, no para sustituir a la inflación, pero para mejorarla.

"Cuando hacemos cosmología estamos usando una versión incompleta de la mecánica cuántica", agrega Carroll. La inflación es una teoría sobre el espacio-tiempo y la gravedad, por lo que se basa en la relatividad general. Incorpora unos cuantos aspectos de la física cuántica, como las fluctuaciones de incertidumbre que empujan el inflatón fuera de la cornisa de la montaña, pero a falta de una forma más segura de conectar la relatividad y la teoría cuántica sigue siendo una teoría "semiclásica". "Tal vez por eso no es lo suficientemente buena", afirma.

Sin embargo, ¿cómo podemos colocar la cuántica en la cosmología? Hace tres décadas, justo después de que la inflación irrumpiera en la escena, los físicos Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, y James Hartle, de la Universidad de California, en Santa Bárbara, hicieron un intento. En la física cuántica, cuando una partícula se desplaza desde de A a B no toma un solo camino, sino que puede pasar a lo largo de dos o más caminos simultáneamente, interfiriendo con ella misma en el otro extremo, como si se tratara de una onda. Para averiguar qué camino ha tomado debemos observar la myor probabilidad, hay que sumar las "funciones de onda" de la mecánica cuántica que codifican cada posible camino, desarrollar cómo sus picos individuales y sus valles se cancelan y potencian mutuamente. Codificados dentro de esta función de onda total, es todo lo que necesitamos saber acerca de la partícula cuántica en B, incluyendo los resultados de las probabilidades de cualquier medición que hayamos decidido hacer.

Hawking y Hartle, argumentaron que un enfoque similar podría aplicarse al universo como un todo. El punto B es el universo que vemos hoy día. Y mirando atrás, hacia su origen, podemos trazar muchas historias válidas de la expansión posterior hacia un punto inicial, el punto A, donde la física semiclásica se rompe y el espacio cuántico y el tiempo llegan a ser tan retorcidos que terminan ambos por no distinguirse claramente. Este punto no significa un principio del tiempo en una singularidad, como en la teoría estándar inflacionaria de la cosmología, sino un punto atemporal, donde el universo, o más bien laa superposición de todos los universos históricos posibles, emerge a la existencia desde la nada, con todas sus leyes de la física intactas. Debido a esta falta de un claro principio, Hawking y Hartle calificaron esta propuesta de la proposición ilimitada.

Siguiendo las reglas de la mecánica cuántica, añadieron todas las historias posibles que empezaban con un universo sin límites y terminaron en el universo que vemos actualmente. La idea es una especie de multiverso a la inversa: un universo único con múltiples historias. La función de onda resultante se deshace del problema de la medida, ya que codifica un conjunto único de probabilidades para cualquier cosa que podamos observar. Y debido a que la admisibilidad de la historia está determinada por lo que vemos en el cosmos de hoy, los problemas tales como la planitud del espacio-tiempo o de la homogeneidad de la radiación cósmica de fondo, dejan de ser problemas: al contrario, son las entradas a la propia teoría.

El universo sin límites tiene sus atractivos para muchos físicos. "Si resulta que el universo debe tener un origen, su estado inicial de ser algo muy convincente", señala Guth. Y en cuanto a la teoría de la inflación de Guth se refiere, la ‘propuesta ilimitada’ resultó una agradable sorpresa. Tal como Hartle, Hawking y Hertog mostraron en 2008, aunque la teoría no fue concebida teniendo en mente la inflación, surgió de forma natural a lo largo de las muchas rutas que podría haber dado el universo para llegar hasta aquí (Physical Review Letters, vol 100, p 201301). "Se puede calcular la probabilidad de que ocurra la inflación, y resultó que la probabilidad era muy alta", apuntó Hertog.

Todo esro suena muy claro, pero aún no hay razón alguna para creer que la propuesta sin límites sea cierta. Había dificultades para ver dónde encajaba esa especie de unificación de los constructos teóricos, como la teoría de cuerdas, que resulta necesaria para explicar los acontecimientos de aquellos primeros días de altísima energía del universo.

Ahora esto parece haber cambiado, gracias a una de las ideas más profundas que han salido en los últimos años de la teoría de cuerdas: el ++principio holográfico++. Esta teoría declara que la física de un universo 4D como el nuestro, incluyendo la gravedad, es matemáticamente equivalente a la física de uno limitado a 3D, sin gravedad. La consecuencia es que el mundo que nos rodea no es más que una proyección holográfica de la información desde el borde de la realidad. Suena inverosímil, pero este principio no aparece sólo en la teoría de cuerdas, sino en casi cualquier aproximación sobre la unificación de la relatividad y teoría cuántica soñada hasta ahora.

Aunque la ‘propuesta ilimitada’ dice que el universo no tiene límite en el pasado lejano, sí ofrece un límite en el infinitamente lejano futuro. Calculando la física de este límite, Hertog extrajo las probabilidades de todos los universos posibles que pueden surgir de sus proyecciones holográficas. Sorprendentemente, las probabilidades de las cosas, como la homogeneidad del fondo cósmico o la cantidad de energía oscura, son las mismas que las que se obtienen desde la función de onda sin límites. Esto provee de una conexión directa entre la teoría de cuerdas, la ruta más popular hacia una teoría del todo, y la propuesta ilimitada, que entiende la inflación de forma natural.

"Originalmente, la función de onda sin límites era una especie de recogedor sin importancia", apunta Hertog. "Pero ahora vemos que se encuentra en el corazón del principio holográfico. Esto es muy alentador para la inflación." Junto con Hawking y Hartle, escribio sus ideas en un artículo publicado el mes pasado en Arxiv.org .

Los cosmólogos están todavía digiriendo la nueva propuesta, con algunos cuestionamientos de si los supuestos realizados están justificados. Guth dice que hasta ahora nadie está seguro acerca de la validez de la correspondencia holográfica específica que han empleado Hertog, Hawking y Hartle. "Ciertamente es una meritoria línea de investigación, pero lo que están intentando establecer es algo muy difícil".

Aún así, esto no es la verdadera historia del inicio del universo. Sin embargo, parece innegable que determinar ahora si la inflación es una incrédula impostura, como piensa Tegmark, depende de encontrar alguna manera de aplicar de forma consistente la teoría cuántica al tejido del universo. Sólo entonces podremos saber realmente qué clase de explosión fue el Big Bang.

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- Título artículo original: What kind of bang was the big bang?
- Diagramas crédito NewScientist.com 

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