101.- Sobre la Inflación Cósmica

En la entrada anterior, Victor Stenger afirmaba:

Alrededor de 1980, se demostró teóricamente que un universo carente de materia y de energía sufriría una rapidísima y gigantesca expansión, la cual fue apodada "inflación".

En esta entrada ofrezco una explicación de la inflación basada en textos, clases y entrevistas a varios especialistas.


INTRODUCCIÓN

Cuando observamos objetos lejanos los vemos tal como eran en el pasado.

Las mediciones de la velocidad de las galaxias lejanas muestran que el universo se está expandiendo.

Si las galaxias se están alejando unas de otras, deben haber estado más cerca en el pasado. Si retrocedemos en el tiempo hasta la época más lejana observable, la imagen que recibimos corresponde a una sopa uniforme de plasma (CMB). No existían galaxias, ni estrellas, ni planetas en esa época. La temperatura era cercana a los 3000 °C, casi la misma en toda la sopa, y estaba descendiendo.

No podemos ver más atrás porque el plasma es opaco a la radiación electromagnética, pero podemos extrapolar hacia el pasado revirtiendo la expansión, y deducir que toda esa materia debe haber estado mucho más caliente, ocupando un volumen mucho menor.

En 1970 Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron matemáticamente que, si la Relatividad General de Einstein (RG) era válida, el universo debía haber comenzado con una "singularidad", es decir, en un punto de tamaño cero y densidad infinita. Posteriormente Hawking aclaró que tal singularidad nunca existió, porque la naturaleza del universo a escala cuántica es discreta e impide la existencia de un volumen cero. Si bien la demostración original era correcta, la premisa de tal demostración no aplicaba, porque la RG no toma en cuenta los efectos cuánticos. Los cosmólogos están ahora mayoritariamente de acuerdo en ese punto. (Ver entrada 86).

La RG es una teoría de la gravedad mucho más precisa que la de Newton. Es capaz de hacer predicciones de fantástica exactitud sobre las trayectorias de los cuerpos en el espacio, porque en esa escala de grandes tamaños los efectos cuánticos pueden ser ignorados. Pero en las cercanías de la "singularidad" el universo es demasiado pequeño, y tales efectos deben ser tomados en cuenta.

A la fecha no disponemos de una teoría de la gravedad cuántica confirmada empíricamente, pero la Física puede describir con un buen grado de confianza lo que estaba ocurriendo en el universo desde 1 segundo después de su inicio, cuando ya existía toda la energía y la materia que lo componen. En ese momento el universo se estaba expandiendo a una enorme velocidad, tenía un diámetro de más de 30 años-luz (mucho mayor que el del Sistema Solar pero infinitesimal en comparación con su tamaño actual) y una temperatura 1000 veces superior a la que existe en el centro del Sol (la temperatura media actual es -270 °C). [Ref.]

Pero, ¿de dónde viene toda esa materia y energía?

La teoría más aceptada en la actualidad es la de la inflación cósmica.


¿CÓMO FUNCIONA LA INFLACIÓN CÓSMICA?

La inflación supone que el universo primitivo contenía al menos una mota de material con gravedad repulsiva (MGR). Hay varias teorías acerca de cómo podría haber sucedido aquello, ya sea a partir de condiciones iniciales caóticas o de un evento de efecto túnel cuántico. En todo caso, los eventos posteriores no dependen de cómo se forma la mota inicial, ya que una vez que aparece, la inflación se hace cargo y produce un universo que termina, inevitablemente, pareciéndose mucho al nuestro.

La mota inicial pudo ser muy pequeña, millones de veces más pequeña que un protón, pero se expandió rápidamente debido a su repulsión gravitacional interna. Se estima que su tamaño se dobló cada 10^-37 segundos (una billonésima parte de una billonésima parte de una billonésima parte de una décima de segundo).

El proceso de doblaje sucesivo equivale a un crecimiento exponencial (1 – 2 – 4 – 8 – 16 …) vertiginoso; sólo se necesitan unos 100 doblajes para aumentar el tamaño de la mota subatómica al de una naranja. Puede parecer poco, pero 2¹⁰⁰ ≈ 10³⁰, es decir, con 100 doblajes el tamaño se incrementa en 5 factores de 1 millón (5 x 6 = 30).

Los sucesivos doblajes son posibles porque la energía que impulsa el proceso inflacionario está alojada en el espacio, y por lo tanto aumenta como consecuencia de la expansión. Cada vez que se dobla el espacio, se dobla la energía.

Cada uno de los 100 doblajes tarda 10^-37 segundos, así que el crecimiento exponencial habría tomado un tiempo 100 veces mayor, es decir, 10^-35 segundos.

La velocidad de expansión es igual al aumento del tamaño dividido por el tiempo. Como el tiempo invertido en cada doblaje es el mismo, pero el incremento en tamaño es cada vez mayor, la velocidad de expansión crece vertiginosamente produciendo una expansión acelerada que llega a superar holgadamente la velocidad de la luz.

Cada vez que un material normal se expande su densidad disminuye, pero la MGR se comporta de forma totalmente diferente: a medida que se expande, su densidad permanece constante. Ello implica que la cantidad total de masa contenida en la región aumenta durante la inflación en un factor colosal.

Como la masa y la energía son equivalentes (E = m c²), el aumento de la masa parece violar el principio de conservación de la energía. Pero no necesita ser así, porque la energía de un campo gravitatorio es negativa y puede neutralizar a la energía positiva de la masa.

A medida que aparece más energía (o masa) en la MGR, surge más energía negativa en el campo gravitacional que llena la región. La energía total es constante y sigue siendo muy pequeña, porque la contribución negativa de la gravedad cancela la energía positiva de la materia.

La inflación acelerada termina tras unos 100 doblajes porque la MGR es inestable y decae convirtiéndose en materia normal con gravedad atractiva. Este proceso ocurre de la misma forma que en los materiales radioactivos: la mitad de la MGR restante decae en materia normal tras intervalos de tiempo iguales conocidos como "semivida", generando un decaimiento exponencial del tipo 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, etc.

Durante el decaimiento, la MGR libera la energía que había acumulado, la cual evoluciona para convertirse en una sopa caliente de partículas ordinarias. Inicialmente la descomposición produce un número relativamente pequeño de partículas de alta energía, pero esas partículas comienzan luego a disgregarse. Finalmente, la energía se convierte en una sopa primordial caliente, exactamente la condición inicial que siempre se había asumido en el marco de la teoría estándar del Big Bang.

La inflación es un agregado a la teoría estándar del Big Bang, una especie de "precuela". El proceso inflacionario ocurre en la primera fracción del primer segundo, y proporciona la energía y la materia necesarias para continuar con la síntesis de los núcleos de los átomos livianos. El universo sigue creciendo luego gracias al enorme impulso del proceso inflacionario.

En resumen, una pizca más pequeña que un protón de una sustancia que puede aparecer como consecuencia de una fluctuación cuántica produce una fuerza antigravitatoria que la lleva a expandirse vertiginosamente, y la energía que esa fuerza antigravitatoria gasta para expandir la sustancia crea la masa necesaria para que la densidad se mantenga constante. El proceso es auto sostenido, y el material duplica su tamaño y su masa una y otra vez. Así es como la inflación crea todo lo que vemos con nuestros telescopios a partir de casi nada.

En palabras de Alan Guth, nuestro universo es el almuerzo gratis por excelencia.

Alan Guth explica la teoría de la Inflación Cósmica

EVIDENCIAS DE LA INFLACIÓN

No podemos ver el proceso inflacionario en tiempo real, ni replicarlo en el laboratorio, pero existen varias evidencias que lo respaldan, algunas de las cuales se resumen a continuación.


1.- El universo contiene una enorme cantidad de masa

Existen alrededor de 10⁹⁰ partículas dentro de la región visible del universo, un número bastante grande. ¿De dónde provienen todas esas partículas?

La inflación provee un mecanismo poco exigente, ya que sólo requiere de unos 100 doblajes para producirla. Como la masa es proporcional al volumen, y el volumen es proporcional al cubo del diámetro, tras 100 duplicaciones el volumen aumenta en un factor de (2³)¹⁰⁰ = 2³⁰⁰ ≈ 10⁹⁰.


2.- La uniformidad de la expansión

Se observa que el universo actual está en un estado de expansión uniforme, no caótica. Esta evidencia es consistente con un proceso inflacionario (como el inflado de un globo), no con una explosión ordinaria, como la de una bomba.


3.- La uniformidad del universo primigenio

Si escalamos la edad del universo a 1 año (el "año cósmico"), podemos verlo tal como era 15 minutos después de su inicio (CMB), y lo que observamos es básicamente una sopa de plasma con la misma temperatura en todas partes. La diferencia entre los puntos más cálidos y los más fríos sólo alcanza a un 0.001 %, o a una parte en cien mil.

Considerando el tamaño del universo en esa época y la velocidad limitada de las ondas electromagnéticas, no habría sido posible uniformar la temperatura en puntos alejados porque esas regiones no habrían estado nunca en contacto.

Pero en el modelo inflacionario no existe ese problema porque el universo estuvo en algún momento junto en un punto muy pequeño, lo que permitió afianzar la homogeneidad antes de que se expandiera.


4.- La planicidad del universo

Según la Relatividad General de Einstein, la masa curva el espacio alrededor de ella y ése es el mecanismo que origina la gravedad. Los planetas no son atraídos por el Sol, sino que se mueven en trayectorias rectas en un espacio curvado por la masa del Sol.

Se puede aplicar la misma idea a todo el universo. Si existiera mucha masa, el universo sería cerrado y curvo, como una esfera, y se habría contraído mucho antes de alcanzar su edad actual. Por otro lado, si tuviera poca masa, se habría expandido tan rápidamente que actualmente no existirían galaxias. El rango de densidad inicial que le habría permitido alcanzar su edad actual conteniendo galaxias es extremadamente angosto, porque la gravedad amplifica cualquier diferencia con la densidad crítica a medida que transcurre el tiempo. Pero la inflación conduce automáticamente a una condición de planicidad (densidad igual a la crítica) sin importar las condiciones iniciales, porque es impulsada por gravedad repulsiva.

Una forma más sencilla de visualizar el problema de la planicidad es la siguiente: si imaginamos a una hormiga caminando por la superficie de un globo apenas inflado, la hormiga describirá una trayectoria curva e irregular. Pero si inflamos el globo a 1 metro de diámetro, la superficie por la cual camina será virtualmente plana.


5.- La irregularidad en la temperatura del universo primigenio

Como se había dicho, la temperatura del universo en la primera imagen que podemos captar (CMB) es uniforme dentro de una parte en cien mil, o un 0.001 %.

Pero existe una pequeña irregularidad residual (ese 0.001 %), la cual sería consecuencia de las fluctuaciones cuánticas (regiones donde la inflación se detuvo ligeramente antes o después de la media) en la MGR, amplificadas enormemente por el proceso inflacionario.

La materia de las zonas ligeramente más densas se aglomera posteriormente bajo la acción de la gravedad, convirtiéndose en las semillas de las futuras galaxias, y eventualmente, de nosotros.

Irregularidad residual (0.001 %) en la temperatura del universo primigenio.

6.- Ausencia de monopolos magnéticos

Los monopolos magnéticos son "imanes" con un solo polo. Estos objetos deberían haberse formado en el momento inicial del universo, cuando estaba a una altísima temperatura, pero no han sido observados.

La inflación justifica su inexistencia, porque habría ocurrido durante o después de la formación de los monopolos, "diluyéndolos" en un grado extremo como consecuencia de la enorme expansión del espacio. Una vez terminado el proceso inflacionario, la temperatura habría sido insuficiente para formar más monopolos.


7.- La inflación se ha reanudado

Desde 1998 sabemos que en los últimos "meses" del "año cósmico" el universo se ha estado expandiendo cada vez más rápido. El mecanismo causante se denomina "energía oscura", aunque no se ha explicado todavía.

El universo está entonces en una nueva fase inflacionaria, aunque esta vez en cámara lenta: en lugar de duplicar su tamaño cada 10^-37 segundos, lo hace cada 8 mil millones de años (algo más de la mitad del "año cósmico").

Así que el debate ya no es sobre si la inflación ocurrió o no, sino sobre si ha ocurrido una o dos veces.


REFERENCIAS

- Alan Guth, How Does Inflation Work? y Evidence for Inflation

- Alan Guth, curso 8.286 "The Early Universe" del MIT, clase 1 y clase 2

- Max Tegmark, "Inflation", cap. 5 del libro "Our Mathematical Universe"

- Sean Carroll, "Inflation and the multiverse", cap. 14 del libro "From Eternity to Here"

- Lawrence Krauss, "The free lunch at the end of the universe", cap. 6 del libro "A Universe from Nothing"

- Victor Stenger, "5.3. Inflation, Past and Present", cap. 5 del libro "The Fallacy of Fine-Tuning"

- "Echoes of the Big Bang", entrevista a Anthony Aguirre (audio)