29.6: El universo inflacionario
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Describir dos propiedades importantes del universo que el simple modelo del Big Bang no puede explicar
- Explique por qué estas dos características del universo pueden contabilizarse si hubo un período de rápida expansión (inflación) del universo justo después del Big Bang
- Nombra las cuatro fuerzas que controlan todos los procesos físicos del universo
El modelo caliente de Big Bang que hemos estado describiendo es notablemente exitoso. Da cuenta de la expansión del universo, explica las observaciones del CMB, y predice correctamente las abundancias de los elementos ligeros. Resulta que este modelo también predice que debería haber exactamente tres tipos de neutrinos en la naturaleza, y esta predicción ha sido confirmada por experimentos con aceleradores de alta energía. No podemos relajarnos todavía, sin embargo. Este modelo estándar del universo no explica todas las observaciones que hemos hecho sobre el universo en su conjunto.
Problemas con el modelo estándar de Big Bang
Hay una serie de características del universo que sólo pueden explicarse considerando más a fondo lo que pudo haber sucedido antes de la emisión del CMB. Un problema con el modelo estándar del Big Bang es que no explica por qué la densidad del universo es igual a la densidad crítica. La densidad de masa podría haber sido, después de todo, tan baja y los efectos de la energía oscura tan altos que la expansión habría sido demasiado rápida para formar galaxias en absoluto. Alternativamente, podría haber habido tanta materia que el universo ya habría comenzado a contraerse mucho antes de ahora. ¿Por qué el universo se equilibra con tanta precisión en el filo de la densidad crítica?
Otro rompecabezas es la notable uniformidad del universo. La temperatura del CMB es la misma a aproximadamente 1 parte de cada 100.000 en todas partes donde miremos. Esta similitud podría esperarse si todas las partes del universo visible estuvieran en contacto en algún momento y tuvieran tiempo de llegar a la misma temperatura. De la misma manera, si ponemos un poco de hielo en un vaso de agua tibia y esperamos un rato, el hielo se derretirá y el agua se enfriará hasta que tengan la misma temperatura.
No obstante, si aceptamos el modelo estándar del Big Bang, todas las partes del universo visible no estaban en contacto en ningún momento. Lo más rápido que la información puede ir de un punto a otro es la velocidad de la luz. Hay una distancia máxima que la luz puede haber recorrido desde cualquier punto desde el momento en que comenzó el universo, esa es la distancia que la luz podría haber cubierto desde entonces. A esta distancia se le llama distancia de horizonte de ese punto porque cualquier cosa más alejada está “por debajo de su horizonte” —incapaz de hacer contacto con él. Una región del espacio separada por más de la distancia del horizonte de otra ha sido completamente aislada de ella a través de toda la historia del universo.
Si medimos el CMB en dos direcciones opuestas en el cielo, estamos observando regiones que estaban significativamente más allá de la distancia del horizonte del otro en el momento en que se emitió el CMB. Podemos ver ambas regiones, pero nunca se pueden haber visto. ¿Por qué, entonces, sus temperaturas son tan precisamente las mismas? Según el modelo estándar Big Bang, nunca han podido intercambiar información, y no hay razón por la que deban tener temperaturas idénticas. (Es un poco como ver que la ropa que todos los alumnos visten en dos escuelas de distintas partes del mundo se vuelven idénticas, sin que los alumnos hayan estado nunca en contacto). La única explicación que podríamos sugerir era simplemente que el universo de alguna manera comenzó siendo absolutamente uniforme (que es como decir que a todos los estudiantes nacieron gustando la misma ropa). Los científicos siempre se sienten incómodos cuando deben apelar a un conjunto especial de condiciones iniciales para dar cuenta de lo que ven.
La hipótesis inflacionaria
Algunos físicos sugirieron que estas características fundamentales del cosmos —su planitud y uniformidad— pueden explicarse si poco después del Big Bang (y antes de la emisión del CMB), el universo experimentó un aumento repentino de tamaño. Un universo modelo en el que ocurre esta rápida y temprana expansión se llama universo inflacionario. El universo inflacionario es idéntico al universo del Big Bang para siempre después de los primeros 10 —30 segundos. Previo a eso, el modelo sugiere que hubo un breve período de expansión o inflación extraordinariamente rápida, durante el cual la escala del universo aumentó en un factor de aproximadamente 1050 veces más de lo predicho por los modelos estándar del Big Bang (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Antes (y durante) la inflación, todas las partes del universo que ahora podemos ver eran tan pequeñas y cercanas entre sí que podían intercambiar información, es decir, la distancia del horizonte incluía todo el universo que ahora podemos observar. Antes (y durante) la inflación, había tiempo adecuado para que el universo observable se homogeneizara y llegara a la misma temperatura. Entonces, la inflación expandió tremendamente esas regiones, de manera que muchas partes del universo están ahora más allá del horizonte de la otra.
Otro atractivo del modelo inflacionario es su predicción de que la densidad del universo debe ser exactamente igual a la densidad crítica. Para ver por qué esto es así, recuerda que la curvatura del espacio-tiempo está íntimamente ligada a la densidad de la materia. Si el universo comenzara con alguna curvatura de su espacio-tiempo, una analogía para él podría ser la piel de un globo. El periodo de inflación equivalía a volar el globo a un tamaño tremendo. El universo se hizo tan grande que desde nuestro punto de vista, ninguna curvatura debería ser visible (Figura\(\PageIndex{2}\)). De la misma manera, la superficie de la Tierra es tan grande que nos parece plana sin importar dónde estemos. Los cálculos muestran que un universo sin curvatura es aquel que está en densidad crítica. Los universos con densidades superiores o inferiores a la densidad crítica mostrarían una marcada curvatura. Pero vimos que las observaciones del CMB, que muestran que el universo tiene densidad crítica, descartan la posibilidad de que el espacio esté significativamente curvado.
Grandes teorías unificadas
Si bien la inflación es una idea intrigante y ampliamente aceptada por los investigadores, no podemos observar directamente eventos tan tempranos en el universo. Las condiciones en el momento de la inflación eran tan extremas que no podemos reproducirlas en nuestros laboratorios o aceleradores de alta energía, pero los científicos tienen algunas ideas sobre cómo podría haber sido el universo. Estas ideas se llaman “grandes teorías unificadas” o GUT.
En los modelos GUT, las fuerzas con las que estamos familiarizados aquí en la Tierra, incluyendo la gravedad y el electromagnetismo, se comportaron de manera muy diferente en las condiciones extremas del universo primitivo que lo hacen hoy. En la ciencia física, el término fuerza se utiliza para describir cualquier cosa que pueda cambiar el movimiento de una partícula o cuerpo. Uno de los descubrimientos notables de la ciencia moderna es que todos los procesos físicos conocidos pueden describirse a través de la acción de solo cuatro fuerzas: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil (Tabla\(\PageIndex{1}\)).
| Fuerza | Fuerza relativa hoy | Rango de Acción | Aplicaciones Importantes |
|---|---|---|---|
| Gravedad | 1 | Todo el universo | Movimientos de planetas, estrellas, galaxias |
| Electromagnetismo | 10 36 | Todo el universo | Átomos, moléculas, electricidad, campos magnéticos |
| Fuerza nuclear débil | 10 33 | 10 —17 metros | Desintegración radiactiva |
| Fuerza nuclear fuerte | 10 38 | 10 —15 metros | La existencia de núcleos atómicos |
La gravedad es quizás la fuerza más familiar, y ciertamente parece fuerte si saltas de un edificio alto. Sin embargo, la fuerza de gravedad entre dos partículas elementales —digamos dos protones— es, con mucho, la más débil de las cuatro fuerzas. El electromagnetismo, que incluye fuerzas magnéticas y eléctricas, mantiene unidos a los átomos y produce la radiación electromagnética que usamos para estudiar el universo, es mucho más fuerte, como se puede ver en la Figura\(\PageIndex{1}\). La débil fuerza nuclear sólo es débil en comparación con su fuerte “primo”, pero de hecho es mucho más fuerte que la gravedad.
Tanto las fuerzas nucleares débiles como las fuertes difieren de las dos primeras fuerzas en que actúan solo a distancias muy pequeñas, las comparables al tamaño de un núcleo atómico o menos. La fuerza débil está involucrada en la desintegración radiactiva y en reacciones que resultan en la producción de neutrinos. La fuerza fuerte mantiene juntos protones y neutrones en un núcleo atómico.
Los físicos se han preguntado por qué hay cuatro fuerzas en el universo, ¿por qué no 300 o, preferiblemente, solo una? Un indicio importante proviene del nombre fuerza electromagnética. Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que las fuerzas de la electricidad y el magnetismo estaban separadas, pero James Clerk Maxwell (ver el capítulo sobre Radiación y Espectros) pudo unificar estas fuerzas, para demostrar que son aspectos del mismo fenómeno. De la misma manera, muchos científicos (entre ellos Einstein) se han preguntado si las cuatro fuerzas que ahora conocemos también podrían unificarse. Los físicos en realidad han desarrollado GUT que unifican tres de las cuatro fuerzas (pero no la gravedad).
En estas teorías, las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas no son tres fuerzas independientes sino que son manifestaciones o aspectos diferentes de lo que es, de hecho, una sola fuerza. Las teorías predicen que a temperaturas suficientemente altas, solo habría una fuerza. A temperaturas más bajas (como las del universo actual), sin embargo, esta fuerza única se ha transformado en tres fuerzas diferentes (Figura\(\PageIndex{3}\)). Así como diferentes gases o líquidos se congelan a diferentes temperaturas, podemos decir que las diferentes fuerzas “se congelaron” de la fuerza unificada a diferentes temperaturas. Desafortunadamente, las temperaturas a las que las tres fuerzas actuaron como una sola fuerza son tan altas que no se pueden alcanzar en ningún laboratorio de la Tierra. Sólo el universo primitivo, en ocasiones anteriores a los 10 —35 segundos, era lo suficientemente caliente como para unificar estas fuerzas.
Muchos físicos piensan que la gravedad también se unificó con las otras tres fuerzas a temperaturas aún más altas, y los científicos han tratado de desarrollar una teoría que combine las cuatro fuerzas. Por ejemplo, en la teoría de cuerdas, las partículas puntuales de materia que hemos discutido en este libro son reemplazadas por objetos unidimensionales llamados cadenas. En esta teoría, las cuerdas infinitesimales, que tienen longitud pero no altura ni anchura, son los bloques de construcción utilizados para construir todas las formas de materia y energía en el universo. Estas cadenas existen en el espacio 11-dimensional (no el espacio-tiempo de 4 dimensiones con el que estamos familiarizados). Las cuerdas vibran en las diversas dimensiones, y dependiendo de cómo vibren, se ven en nuestro mundo como materia o gravedad o luz. Como puedes imaginar, las matemáticas de la teoría de cuerdas son muy complejas, y la teoría permanece sin probar mediante experimentos. Incluso los aceleradores de partículas más grandes de la Tierra no logran una energía lo suficientemente alta como para mostrar si la teoría de cuerdas se aplica al mundo real.
La teoría de cuerdas es interesante para los científicos porque actualmente es el único enfoque que parece tener el potencial de combinar las cuatro fuerzas para producir lo que los físicos han denominado la “Teoría del Todo”. 1 Las teorías de las primeras fases del universo deben tener en cuenta tanto la mecánica cuántica como la gravedad, pero al nivel más simple, la gravedad y la mecánica cuántica son incompatibles. La relatividad general, nuestra mejor teoría de la gravedad, dice que los movimientos de los objetos se pueden predecir con exactitud. La mecánica cuántica dice que solo se puede calcular la probabilidad (probabilidad) de que un objeto haga algo. La teoría de cuerdas es un intento de resolver esta paradoja. La matemática que sustenta la teoría de cuerdas es elegante y hermosa, pero queda por ver si hará predicciones que puedan ser probadas por observaciones en aceleradores de alta energía aún por desarrollar en la Tierra o por observaciones del universo temprano.
El período más temprano en la historia del universo desde el tiempo cero hasta los 10 —43 segundos se llama el tiempo de Planck. El universo era inimaginablemente cálido y denso, y los teóricos creen que en este momento, los efectos cuánticos de la gravedad dominaban las interacciones físicas y, como acabamos de discutir, no tenemos ninguna teoría probada de la gravedad cuántica. Se plantea la hipótesis de que la inflación se produjo algo más tarde, cuando el universo tenía quizás entre 10 —35 y 10 —33 segundos de edad y la temperatura era de 10 27 a 10 28 K. Esta rápida expansión tuvo lugar cuando tres fuerzas (electromagnéticas, fuertes y débiles) son se cree que se han unificado, y es entonces cuando las GUT son aplicables.
Después de la inflación, el universo continuó expandiéndose (pero más lentamente) y enfriándose. Se alcanzó un hito importante cuando la temperatura bajó a 10 15 K y el universo tenía 10 —10 segundos de antigüedad. En estas condiciones, las cuatro fuerzas estaban separadas y distintas. Los aceleradores de partículas de alta energía pueden lograr condiciones similares, por lo que las teorías de la historia del universo a partir de este momento tienen una base sólida en los experimentos.
Hasta el momento, no tenemos evidencia directa de cuáles fueron las condiciones durante la época inflacionaria, y las ideas aquí presentadas son especulativas. Los investigadores están tratando de idear algunas pruebas experimentales. Por ejemplo, las fluctuaciones cuánticas en el universo muy temprano habrían provocado variaciones en la densidad y habrían producido ondas gravitacionales que podrían haber dejado una huella detectable en el CMB. La detección de tal huella requerirá observaciones con equipos cuya sensibilidad se mejore a partir de lo que tenemos hoy en día. En última instancia, sin embargo, puede proporcionar la confirmación de que vivimos en un universo que alguna vez experimentó una época de inflación rápida.
Si eres típico de los estudiantes que leen este libro, es posible que hayas encontrado un poco frustrante esta breve discusión sobre la materia oscura, la inflación y la cosmología. Hemos ofrecido vislumbres de teorías y observaciones, pero hemos planteado más preguntas de las que hemos respondido. ¿Qué es la materia oscura? ¿Qué es la energía oscura? La inflación explica las observaciones de planitud y uniformidad de la universidad, pero ¿realmente sucedió? Estas ideas están a la vanguardia de la ciencia moderna, donde el progreso casi siempre conduce a nuevos acertijos, y se necesita mucho más trabajo antes de que podamos ver con claridad. Hay que tener en cuenta que ha pasado menos de un siglo desde que Hubble demostró la existencia de otras galaxias. La búsqueda por comprender cómo llegó a ser el universo de las galaxias mantendrá ocupados a los astrónomos durante mucho tiempo por venir.
Resumen
El modelo Big Bang no explica por qué el CMB tiene la misma temperatura en todas las direcciones. Tampoco explica por qué la densidad del universo está tan cerca de la densidad crítica. Estas observaciones pueden explicarse si el universo experimentó un período de rápida expansión, al que los científicos llaman inflación, alrededor de 10 —35 segundos después del Big Bang. Se están desarrollando nuevas grandes teorías unificadas (GUTs) para describir los procesos físicos en el universo antes y en el momento en que ocurrió la inflación.
Notas al pie
3 Este nombre se convirtió en el título de una película sobre el físico Stephen Hawking en 2014.
Glosario
- grandes teorías unificadas
- (GUT) teorías físicas que intentan describir las cuatro fuerzas de la naturaleza como diferentes manifestaciones de una sola fuerza
- universo inflacionario
- una teoría de la cosmología en la que se supone que el universo ha sufrido una fase de expansión muy rápida cuando el universo tenía aproximadamente 10-35 segundos de antigüedad; después de este período de rápida expansión, el Big Bang estándar y los modelos inflacionarios son idénticos