Platón y la inflación cósmica

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(Contribución de El neutrino a la LI edición del Carnaval de la Física, organizada por ZTFNews)

Imagínate una caverna subterránea, que dispone de una larga entrada para la luz a todo lo largo de ella, y figúrate unos hombres que se encuentran ahí ya desde la niñez, atados por los pies y el cuello, de tal modo que hayan de permanecer en la misma posición y mirando tan sólo hacia delante, imposibilitados como están por las cadenas de volver la vista hacia atrás. Pon a su espalda la llama de un fuego que arde sobre una altura a distancia de ellos, y entre el fuego y los cautivos un camino eminente flanqueado por un muro, semejante a los tabiques que se colocan entre los charlatanes y el público para que aquellos puedan mostrar, sobre ese muro, las maravillas de que disponen. […] Pues bien: observa ahora a lo largo de ese muro unos hombres que llevan objetos de todas clases que sobresalen sobre él, y figuras de hombres o de animales, hechas de piedra, de madera y de otros materiales. Es natural que entre estos portadores unos vayan hablando y otros pasen en silencio. […] Porque, ¿crees en primer lugar que esos hombres han visto de sí mismos o de otros algo que no sean las sombras proyectadas por el fuego en la caverna, exactamente enfrente de ellos?

Platón. La República

El pasado mes de marzo, el descubrimiento de ondas gravitacionales procedentes de los primeros instantes del Big Bang levantó mucho revuelo en las noticias. Se ha llegado a decir que se han detectado por primera vez ondas gravitacionales o que se ha demostrado que existe una infinidad de universos. Ambas afirmaciones son, como veremos, precipitadas. Por no decir falsas.

Para entender lo que ahora se ha descubierto, vamos a remontarnos a 1929. Ese año, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que, cuanto más alejada está una galaxia, más deprisa se aleja de nosotros. Esto implica que el Universo se está expandiendo, y que las galaxias estaban más próximas en el pasado. Si extrapolamos ese movimiento de las galaxias hacia atrás, llegamos a un momento, hace unos 13.000 millones de años, en el que todo el Universo estaba contenido en un punto. Es el Big Bang. Pero ¿podemos hacer esa extrapolación? En ese punto inicial, la densidad y la temperatura serían infinitas, cosa que las leyes de la física no son capaces de describir.

Sin embargo, aunque las leyes de la física que conocemos no nos permiten remontarnos hasta ese hipotético punto inicial, sí somos capaces de calcular el comportamiento del Universo desde unos instantes después, y con gran éxito: la teoría del Big Bang no puede explicar el origen del Universo, pero a partir de la hipótesis de que el Universo fue en el pasado mucho más denso y caliente que en la actualidad sí acierta en la descripción de su evolución y su estado actual: las proporciones de los elementos químicos que lo forman, la evolución de las galaxias...; y, lo que es más importante, a partir del modelo del Big Bang, varios físicos pudieron predecir independientemente la existencia de un fondo cósmico de radiación en forma de microondas; entre ellos, los estadounidenses Ralph Alpher y Robert Herman en 1948 y el soviético Yákov Borísovich Zeldóvich en 1960. El descubrimiento de ese fondo cósmico de microondas, en 1965, fue la confirmación experimental del modelo del Big Bang, y valió a sus autores, Arno Penzias y Robert Wilson, el premio Nobel de Física en 1978.

Pero el modelo del Big Bang tiene sus limitaciones. El Universo es muy homogéneo e isótropo a gran escala, o sea, que la densidad de cúmulos de galaxias es la misma en cualquier dirección en la que miremos. Además, el espacio-tiempo es plano, lo que significa que la fuerza de gravedad de toda la materia del Universo parece precisamente la justa para equilibrar su expansión, de forma que no es fácil decidir si la expansión será eterna, o se detendrá en algún momento y comenzará una contracción del Universo. Bueno, esto último era así hasta el descubrimiento de que hay algo más en el Universo, esa misteriosa energía oscura que hace que la expansión del Universo se esté acelerando en lugar de frenarse. Pero, en todo caso, en el modelo simple del Big Bang, esas características del Universo, homogeneidad, isotropía y planitud, sólo podrían aparecer a partir de unas condiciones iniciales muy precisas que, desde un punto de vista matemático, serían muy poco probables.

Para solventar esos problemas, el físico estadounidense Alan Guth propuso en 1981 la inflación cósmica. Según esta teoría, que complementa el modelo del Big Bang, el Universo sufrió en sus inicios un periodo de expansión muchísimo más rápida que la actual, llamada inflación, de manera que todo el Universo que podemos observar en la actualidad, el llamado “Universo observable”, procede de sólo una pequeñísima parte del volumen total del Universo. Esa inflación fue desencadenada por una fluctuación cuántica que provocó una transición de fase de un hipotético campo llamado inflatón, lo único que existía en aquel entonces. El campo del inflatón pasó de un estado de vacío de alta energía, o falso vacío, a otro de energía inferior. Esto no significa que la inflación explique que nuestro Universo surgiera de la nada; el vacío en física no es lo mismo que la nada, es un estado muy bien definido, con unas ciertas propiedades. La energía liberada en ese cambio de estado se convirtió en la materia y la radiación que componen nuestro Universo, y generó una fuerza repulsiva que multiplicó el tamaño del Universo por un sextillón de septillones (10⁷⁸) en sólo una cienquintillónesima de segundo (10^-32). Así, la inflación homogeneizó y aplanó el espacio-tiempo. Cualquier inhomogeneidad del Universo primigenio se alejó tanto de nosotros que se ha vuelto invisible, su luz no ha tenido tiempo de llegar hasta aquí en toda la edad del Universo. Eso es la inflación.

¿Y qué es eso del multiverso? Bueno, en primer lugar, hay que decir que hay casi tantas teorías de la inflación como físicos teóricos que se dedican a estudiarla, teorías que además no acaban de ser completamente satisfactorias, porque carecemos de una verdadera teoría cuántica de la gravedad, necesaria para la descripción matemática rigurosa del Universo a las escalas de energía en las que transcurre la inflación. Pero cuando uno trata de aplicar los formalismos matemáticos de las teorías cuánticas de campos al campo gravitatorio, los resultados se llenan de infinitos y no es posible hacer predicciones con sentido físico. En cualquier caso, según algunas de esas teorías inflacionarias, nuestro Universo sólo es una especie de burbuja en un Multiverso mucho mayor, por llamarlo de alguna manera, en el que la inflación no ocurre a la vez en todo el espacio-tiempo, sino que se produce localmente en diferentes lugares y momentos, generando infinidad de Universos-burbuja como el nuestro; además, dependiendo del estado final del campo del inflatón, las constantes físicas fundamentales en cada uno de esos Universos pueden ser diferentes. Pero de todo esto no existe, a día de hoy, ninguna evidencia experimental.

Porque las teorías están muy bien, pero hay que comprobarlas. ¿Cómo podemos conseguir evidencia experimental de los orígenes del Universo? Sabemos que, como la velocidad de la luz es finita, no vemos las galaxias lejanas como son ahora, sino como eran hace millones de años, cuando la luz que recibimos salió de ellas. Con telescopios más potentes, ¿podríamos observar directamente esos primeros instantes del Universo? Desgraciadamente, no. Conforme retrocedemos en el tiempo, el Universo va estando cada vez más comprimido y más caliente, y llega un momento, unos 380 000 años después del hipotético momento inicial, en el que toda la materia del Universo está ionizada, en forma de plasma. Dentro de un plasma, la luz no se transmite, es emitida y absorbida continuamente por los electrones y los protones libres. Los plasmas son opacos. Sólo en el momento en el que los electrones se combinaron con los protones para formar átomos neutros el Universo se hizo transparente a la luz. La energía electromagnética emitida entonces, procedente de la captura de los electrones por los protones, pudo por primera vez viajar libremente por el espacio. Eso es precisamente el fondo cósmico de microondas. Es la luz más antigua que podemos ver. Pero no podemos ir más allá. Al menos, no estudiando la luz, la radiación electromagnética. No hasta que no descubramos otra manera de estudiar el cosmos, quizá detectando directamente las ondas gravitacionales, o quizá con alguna nueva partícula de la que hoy no sospechamos la existencia. El fondo cósmico de microondas, como el fondo de la caverna de Platón, es un muro que nos impide ver más allá, pero, aún así, de la observación de ese muro podemos aprender muchas cosas; sobre el mundo de las ideas en el caso de la alegoría de Platón, y sobre las etapas anteriores de la evolución del Universo en el caso de la cosmología.

Hemos dicho ya que el Universo es muy isótropo, y también lo era en el momento en el que se emitió la luz que forma el fondo cósmico de microondas. De hecho, esa radiación cósmica es tan isótropa que su temperatura, unos 2,7 grados sobre el cero absoluto, no varía en ninguna dirección de la esfera celeste más de 30 millonésimas de grado. Pero en esas minúsculas variaciones de temperatura se conserva la información de lo que ocurrió entonces, y quizá de cómo llegó el Universo a ese estado. Además, la luz es una onda transversal, y como tal se puede polarizar. Por eso podemos usar gafas polarizadas para protegernos de la luz del Sol, y filtros polarizadores en las cámaras fotográficas para eliminar reflejos. Pues resulta que la radiación cósmica de microondas también está polarizada, y las características de esa polarización pueden decirnos mucho sobre los primeros momentos del Universo. La polarización es una de las causas de esas fluctuaciones del fondo cósmico de microondas, y genera patrones espaciales muy definidos en esas variaciones de temperatura, y distintos según la causa de la polarización. Parte de esa polarización se genera en el viaje de las microondas a través del Universo hasta nuestros telescopios, y ésa ya se había detectado. Pero la inflación, o al menos algunas de las teorías inflacionarias, predicen un tipo especial de polarización que no se había podido medir hasta ahora, y esa es la que el telescopio BICEP2, ubicado en el Polo Sur, ha detectado ahora.

El origen de esta polarización son las ondas gravitacionales primigenias que recorrían el Universo durante la inflación. Las ondas gravitacionales son ondulaciones del propio espacio-tiempo, predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein. Nunca se han detectado directamente, pero el descubrimiento de BICEP2 no es la primera evidencia indirecta de su existencia: en 1993, los físicos estadounidenses Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor, Jr. fueron galardonados con el premio Nobel de Física por el descubrimiento del púlsar binario PSR B1913+16; Hulse y Taylor midieron la variación a lo largo de los años del periodo de revolución de los púlsares uno alrededor del otro y constataron que sus órbitas están encogiendo; el sistema está perdiendo energía, y esto sólo puede ser debido a la emisión de ondas gravitacionales. En cualquier caso, aunque no se trate de una detección directa de ondas gravitacionales, ni de la primera evidencia de su existencia, el descubrimiento de BICEP2 tiene una importancia adicional, porque se trata de la primera observación de los efectos de ondas gravitacionales de origen puramente cuántico, generadas por fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo durante la inflación; y su estudio puede ofrecer pistas a los físicos teóricos para la construcción de esa anhelada teoría cuántica de la gravedad que, hoy por hoy, es uno de los problemas sin resolver más importantes de la Física. Además, permitirá seleccionar entre las diferentes teorías inflacionarias, que hacen distintas predicciones sobre la intensidad de esas ondas gravitacionales primigenias, cuáles se ajustan a los resultados experimentales.

Pero hay que ser cautos. Toda medida experimental, y más una tan compleja y tan sutil como la que se ha realizado con BICEP2, puede estar sujeta a errores. Conviene confirmarla con más medidas, a ser posible realizadas con otros telescopios. Por eso todo el mundillo de la cosmología espera impaciente los resultados del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, que se publicarán en los próximos meses y que pueden confirmar o refutar el hallazgo.

Cronología de la expansión del Universo (NASA: Theophilus Britt Griswold – WMAP Science Team / Luis Fernández García)