Inflación cósmica, multiverso y fútbol

La inflación cósmica y el multiverso inflacionario

Escrito por Francis Román Villatoro. Publicado: 17 de marzo de 2014

Extraído de http://francis.naukas.com/2014/03/17/la-inflacion-cosmica-y-el-multiverso-inflacionario/

Dibujo20140317 inflationary multiverse - linde - arxiv

La palabra “multiverso” tiene varios significados en Física Teórica. Mucha gente confunde estos términos, por ello, debo empezar aclarando que en esta entrada el término multiverso significa “multiverso inflacionario” en el contexto de la inflación cósmica eterna. El falso vacío en el “universo preinflacionario” se expande de forma exponencial produciendo infinidad de “universos burbuja” causalmente desconectados entre sí; muchos físicos prefieren llamarlos dominios inflacionarios. El universo observable desde la Tierra es una de estas “burbujas” o dominios. Las leyes físicas no son las mismas en estos dominios, siendo diferentes los valores de sus parámetros (constante cosmológica, tipos de campos, constantes de interacción y masas de las partículas).

¿Esta idea del multiverso es la que tienes en mente? Quizás sí, o quizás no, pero es la idea del multiverso inflacionario. El uso de un balón de fútbol con polígonos coloreados es muy sugerente (aunque olvida el concepto de inflación caótica). La he extraído del artículo de Andrei Linde, “Inflationary Cosmology after Planck 2013,” arXiv:1402.0526 [hep-th], 03 Feb 2014. Recomiendo su lectura a los interesados en este asunto. Por cierto, César Tomé (@EDocet) propuso el término “heteroverso” en “Peces de pecera, hijos del vacío,”Experientia Docet, 07 Feb 2012, para referirse al multiverso inflacionario.

Y recuerda, representar el multiverso inflacionario como un gas lleno de burbujas (algo muy común en divulgación científica con poco rigor) ofrece una imagen intuitiva muy incorrecta. Mucha gente cree que dicha imagen es la que tienen la mayoría de los físicos cuando hablan del multiverso. Pero no es verdad. Permíteme unos párrafos aclaratorios.

 

Dibujo20140414 cosmic inflation

Hoy en día ningún físico pone en duda que haya existido la inflación cósmica, pues no tenemos ninguna otra solución razonable que explique por qué el universo observable es plano, homogéneo e isótropo. Además, las predicciones del efecto de la inflación sobre las anisotropías del fondo cósmico de microondas (p.ej. su gaussianidad) han sido corroboradas por múltiples experimentos (COBE, WMAP, Planck, ACT, SPT, etc.). La inflación es necesaria para explicar por qué el universo observable desde la Tierra es tan uniforme, pero además predice que esta uniformidad debe extenderse a todo el universo más allá de lo observable.

Imagina un balón de fútbol formado por polígonos (pentágonos y hexágonos) multicolores. Durante la inflación, el tamaño de cada polígono crece de forma exponencial. El proceso es tan rápido que no hay relación causal entre los polígonos. Quien vive en un hexágono azul creerá que todo el universo es azul. Y lo mismo pensarán lo que están en un polígono de otro color. Los demás polígonos están más lejos de lo que una señal luminosa ha podido viajar desde el comienzo del universo. El color diferente en cada polígono significa que los parámetros de las leyes físicas serán diferentes entre sí. El balón de fútbol es un versión simple del multiverso inflacionario.

Andrei Linde y otros cosmólogos demostraron hace unos 30 años que el balón de fútbol acaba teniendo muchos colores incluso si empieza siendo de un solo color antes de la inflación. Las fluctuaciones cuánticas provocan transiciones de fase en diferentes puntos del falso vacío, provocando la aparición de regiones (causalmente desconectadas) de diferente color. Estos dominios inflacionarios son los “universos burbuja” del multiverso inflacionario.

Dibujo20140414 chaotic inflation - multiverse

La idea del balón de fútbol olvida un detalle importante, que la estructura del universo es fractal (la llamada inflación caótica). Una estructura fractal en la distribución de polígonos del balón de fútbol es difícil de dibujar (pues ya no recordaría a un balón de fútbol). Esta figura de arriba trata de dibujar la idea del multiverso fractal (siendo cada color un “universo burbuja” distinto).

En esta representación en forma de “erizo coloreado” del multiverso, las púas de color crecen exponencialmente y en la punta de cada una se alcanza una densidad similar a la de Planck, que se interpreta como un big bang en dicho “universo burbuja”. Cada púa tiene su propio big bang y sus propias leyes de la física (materia y campos). Cada dominio inflacionario se comporta como un universo que puede tener una vida finita (“dominio inflacionario cerrado” con un big bang seguido de un big crunch) o infinita (“dominio inflacionario abierto” con un big bang seguido de una expansión eterna). Por ello, mucha gente dice que multiverso inflacionario está formado por “universos burbuja” como el nuestro, pero quizás es más correcto hablar de regiones causalmente separadas con su propio big bang.

La inflación cósmica, además, es eterna. El multiverso inflacionario es como un “universo” fractal multicolor que crece eternamente. La inflación es un proceso realimentado, que produce “universos burbuja” y falso vacío que continúa de forma eterna produciendo nuevos “universos burbujas” y falso vacío, ad infinitum. Como conté en mi conferencia “Lo que sabemos que no sabemos sobre el big bang” [anuncio en este blog], la teoría del big bang describe lo que le pasa al universo cuando acaba el efecto de la inflación cósmica sobre el universo observable. Antes de la inflación, con rigor, no podemos hablar de la teoría del big bang. El efecto de la inflación en cada universo no es eterno. La expansión exponencial de cada “universo burbuja” se detiene y la expansión sigue la ley de Hubble (con una constante de Hubble diferente en cada uno).

SONY DSC

Alan Guth decía en 1982 que “no hay ninguna comida gratis, pero el universo es la comida gratis por excelencia.” Todas las partículas de materia se producen en cada dominio inflacionario cuando se detiene la inflación exponencial . Según Andrei Linde en 1984, “además, el universo inflacionario produce una comida en la que están todos los platos posibles”.

Una predicción genérica de los modelos sencillos de la inflación cósmica es que la inflación es eterna A muchos físicos les desagrada pensar que eternamente se están produciendo “universos burbuja” a partir del falso vacío primordial y que en la práctica se producen un número infinito de estos “dominios inflacionarios”. No hay ningún tipo de interacción posible entre estos universos burbuja, luego su existencia es imposible de demostrar de forma directa. Por supuesto, hay modelos teóricos “complicados” que apuntan a señales en nuestro universo de la existencia de los “otros” pero dichos modelos están descartados a partir de los datos de Planck.

Dibujo20140417 eternal inflation - linde

El debate en este asunto ha llevado al desarrollo durante los últimos 30 años de muchos modelos inflacionarios alternativos. Estos modelos son más complicados y presentan diferentes mecanismos que evitan la inflación eterna y/o la caótica. Su origen fueron los trabajos pioneros de Starobinsky, Chibisov y otros (que trabajaron en inflación antes que Guth inventara el término). Sin embargo, la mayoría de los físicos prefiere los modelos más sencillos basados en la existencia de un campo escalar (como el campo de Higgs), llamado inflatón. Estos modelos fueron introducidos por Guth (que inventó el término inflación cósmica), Linde y otros. Todos los datos cosmológicos actuales (obtenidos por Planck y otros experimentos) apuntan a que estos modelos sencillos son los correctos, descartando la necesidad de modelos más elaborados. La navaja de Ockham ha introducido el inflatón en el modelo cosmológico de consenso.

Un multiverso eterno, sin principio ni fin, con muchos “universos burbuja” (dominios inflacionarios) que tienen un principio y un fin, y otros que sólo tienen principio, parece un regalo para los filósofos y un gran problema para los físicos. Guth y Linde defienden sus ideas contra viento y marea, pues saben que son firmes candidatos a un futuro premio Nobel para la inflación. Sin embargo, durante los últimos 30 años, cientos de físicos han tratado de demostrar que sus ideas son incorrectas, o mejor dicho, que deben ser matizadas. Como pasó con el bosón de Higgs, durante décadas muchos físicos estudiaron cómo evitar la existencia de esta partícula. Al final fue encontrada y miles de artículos en revistas de física acabaron en la basura.

Hoy podría anunciarse una de las grandes noticias científicas del año 2014. La observación del primer modo B primordial en la polarización del fondo cósmico de microondas. Hoy podría ser el día que Guth y Linde reciben el empujón que le llevará a recibir el premio Nobel de Física. Ya os contaré más tarde lo que ocurra.

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