El universo inflacionario autorregenerante y eterno

La teoría tradicional del Big-Bang describe con acierto varios aspectos de la evolución del universo. Sin embargo, existen varios problemas en dicha teoria.

El primero es la ausencia de monopolos magnéticos, una partícula que surge de la teoría estándar del Big-Bang unida a la mo­derna teoría de las partículas elemen­tales, Estos monopolos magnéticos tendrían una masa de 1E16 veces la del protón. Habrían surgido en una fase precoz del universo y deberían ser tan abundantes como los protones. Estas partículas harían que la densidad del universo fuera 1E15 veces mayor que el valor estimado sin ellos.

El segundo problema, y tal vez el más importante de todos, es la propia existen­cia de la gran explosión. ¿Qué hubo antes? Si el espacio-tiempo no existía, ¿cómo pudo todo aparecer de la nada? ¿Qué surgió primero, el universo o las leyes que determinan su evolución? Explicar esta singularidad inicial, dón­de y cómo empezó todo, sigue siendo uno de los problemas más arduos de la cosmología moderna.

El tercer problema tiene que ver con la geometría plana del universo que solo es posible si la densidad de materia y energía del universo era al inicio de los tiempos, exactamente igual a la densidad crítica. Si bien esto es factible, no es la única opción, ni la más probable.

El cuarto problema tiene que ver con la distribución homogénea de la materia (galaxias) a gran escala. Debemos encontrar un mecanismo que permita explicar la gran homogeneidad del universo a gran escalas y al mismo tiempo las heterogeneidades que dieron lugar a la creación de galaxias.

El quinto problema se refiere a la sincronización de la expansión. En el modelo estándar, las diversas partes del universo empezaron a expandirse simultáneamente. Pero, ¿cómo pudie­ron todas ellas sincronizar el co­mienzo de su expansión?

El sexto problema tiene que ver con la enorme cantidad de materia que tiene el universo (aproximadamente 1E55 kg). Las teorías de partículas y la mecánica cuántica ponen un límite al tamaño mínimo que puede tomar el universo (una longitud de Planck: 1,6E-35 m) y a la cantidad de masa que puede contener el universo cuando tenia el tamaño mínimo posible (masa Planck: 2E-8 kg)

A fines de 198o Alan Guth propone una solución elegante a todos estos problemas: una fase de inflación cósmica al inicio.

La inflación cósmica postula que, en sus primeros instantes, el espacio sufrió una fase de expansión exponencial, durante un brevísimo periodo de tiempo (1E-35 s). Durante ese brevísimo periodo el universo se expande al menos 1E30 veces. Dependiendo del modelo usado (y existen varios) puede haber sido 1E50 y hasta 1E100 veces (o incluso más). Esta brutal expansión hace que el universo observable sea solo una minúscula fracción de la totalidad. Esto resuelve la mayoría los problemas del modelo del Big-Bang.

La expansión estira la geometría del universo de tal manera que la minúscula fracción que podemos observar es plana, del mismo modo que la superficie del suelo de nuestro jardín es plana, aún cuando se encuentra sobre la superficie esférica (mucho mas grande) de la Tierra.

También, barre las heterogeneidades de materia más allá de nuestro universo observable, al mismo tiempo que diluye exponencialmente la densidad de monopolos magnéticos. Pero si todas las heterogeneidades desaparecieron con la expansión Inflacionaria, ¿cómo surgieron entonces las galaxias? Hay una respuesta sencilla: mientras eliminaba las heterogenei­dades existentes, la inflación creaba otras nuevas. Estas nuevas heterogeneidades surgen de efectos cuánticos. Según la mecánica cuántica, el espacio vacío no lo está del todo, sino que lo llenan pequeñas fluctuaciones cuánticas. Estas fluctuaciones cuánticas son las que estiradas exponencialmente dieron lugar a sectores con mayor densidad de materia que otros.

La inflación resuelve además el problema de la sincronización. Ya no necesitamos que todas las partes del universo comiencen a expandirse al mismo tiempo. La mínima expresión de espacio (un volumen de Planck) es suficiente para generar todo el universo visible.

Ahora bien, analicemos que es lo que produce la inflación. La teoría general de la relatividad postula que la fuerza de gravedad es una consecuencia de la curvatura del espacio tiempo que una masa produce. Pero además, postula, algo sumamente novedoso: puede ser repulsiva. Esto se debe a que, as diferencia, de la física newtoniana, donde la gravedad solo era una consecuencia de la masa, en la relatividad general, es consecuencia de presión (además de la masa). Y a diferencia de la masa, la presión puede tomar valores negativos, por ende, una presión positiva produce una gravedad atractiva pero una presión negativa produce una gravedad repulsiva.
Esta gravedad repulsiva que surge de la relatividad general, ya había sido utilizada por el propio Einstein con el nombre de constante cosmológica, con el propósito incorrecto de que el modelos de universo que surgiera de sus ecuaciones sea estático como él creía.

El mecanismo físico capaz de desencadenar la inflación cósmica no obedece a un proceso exótico, sino que aparece de manera natural en varias teorías de partículas elementales. Este mecanismo se basa en un campo escalar que representa la densidad de energía del vacío.

El valor inicial del campo escalar era alto y está alta energía generaba un estado meta estable llamado “falso vacío”. El falso vacío posee una presión negativa que produce una fuerza de gravedad repulsiva. Mientras el espacio se encuentra en el estado de “falso vacío” esta fuerza gravitatoria repulsiva expande el espacio exponencialmente de un modo inimaginablemente rápido 

Por medio de un proceso llamado túnel cuántico, el vacío decae al estado estable actual llamado “verdadero vacío” que posee energía cero. Durante este proceso de decaimiento, se libera una cantidad de energía que se convierte en partículas y la expansión exponencial se frena dando lugar a la expansión normal.

Como puede verse en el gráfico, en el modelo inflacionario original propuesto por Alan Guth, el campo decae decae muy rápidamente a un valor de mínima energía estable dando lugar al vacío real. La expansión exponencial se frena demasiado rápido. La liberación de energía y consiguiente creación de partículas se disipa muy rápidamente y deja al universo con mucha menor cantidad de materia que la que vemos. Esto dejó al modelo inflacionario en suspenso.

En 1982, Andrei Linde se convierte en el salvador del modelo al proponer una solución al problema de la generación de materia. Unos meses más tarde Paul Steinhardt (junto con Andreas Albrecht) proponen de manera independiente una solución idéntica. Así nace nuevo modelo Inflacionario.

Nota: Andrei Linde ya había desarrollado de manera independiente un modelo inflacionario similar al de Alan Guth durante la década del 70. Sin embargo nunca llegó a publicarlo porque no logró darle la forma adecuada para solucionar los problemas del modelo del Big-Bang.

En el nuevo modelo inflacionario la disminución de la energía del campo escalar es menos abrupta y no ocurre por túnel cuántico. Como una canica deslizándose por una superficie curva, el estado final de energía, a diferencia del modelo original, se llega más lento y se obtiene luego de varias oscilaciones alrededor del mínimo. Durante estas oscilaciones se generan un infinidad de partículas que son las que finalmente conforman la materia del universo, explicando también la cantidad de materia presente problema en el universo.

En 1983, Andrei Linde se da cuenta que no es necesario que el campo escalar comience en su punto más alto de energía sino que podría comenzar en punto medio de la curva. De hecho, la pendiente del campo podría no tener un máximo.

Este tipo de campo tiene un vacío real al fondo de la curva pero no tiene una clara zona de falso vacío. El falso vacío ocurre en cualquier parte de la curva siempre que se encuentre en un valor lo suficientemente alto como para que el tiempo de caída permita una duración de la inflación suficiente. A este proceso, Linde lo llamo Inflación caótica ya que el campo se encuentra en un estado de caos inicial provocado por las fluctuaciones.

Por su parte Paul Steinhardt fue el primero en darse cuenta (también en 1983) que la inflación en el nueva teoría inflacionaria no tiene porque terminar en todos lados al mismo tiempo. En cambio, podria terminar solo en algunas áreas a las que llamó burbujas. Ese mismo año Alex Vilenkin demostró que cuando los efectos cuánticos son correctamente incorporados, este fenómeno ocurre en todos los modelos inflacionarios. Así nació el modelo de la inflación eterna. 

En 1986, Andrei Linde se dio cuenta que su modelo de inflación caótica también podía ser eterno. Su publicación se llamó “el universo inflacionario autorregenerante y eterno”

https://www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/nuevos-mundos-198/el-universo-inflacionario-autorregenerante-5635

En este modelo burbujas de vacío real son creadas continuamente en ciertas regiones del universo mientras en otras el universo sigue expandiéndose exponencialmente. Puede inferirse que aunque las regiones de falso vacío fueran muy pequeñas e improbables inicialmente, se vuelven rápidamente mayoritarias. La inflación en ciertas áreas puede acabar muy deprisa, pero el volumen de falso vacío crece­rá sin fin. Se mantiene como una reacción en cadena y produce una estructura de tipo fractal.

En esta hipótesis, el universo, entendido en su globalidad, es inmortal. Cada región particular del mismo podría haber surgi­do de una singularidad en algún momento del pasado y acabar en otra singularidad en el futuro. Sin embargo, no hay fin para la evolución del universo como tal.

Si bien este modelo de inflación eterna hace que la existencia del Big-Bang sea casi irrelevante a todos los efectos prácticos, uno puede considerar el momento de formación de cada burbuja inflacio­naria como un nuevo Big-Bang. Desde esta perspectiva, la in­flación no forma parte del modelo estándar, como creíamos quince años atrás. Todo lo contrario, el Big-Bang es parte del modelo inflacionario.

Podrían ser las cosas todavía más interesantes? Podrían. Hasta ahora, he­mos considerado el modelo inflacionario más sencillo, con un solo cam­po escalar que tiene un solo mínimo de energía potencial. Pero los mo­delos de partículas elementales pro­ponen muchos tipos distintos de cam­pos escalares. Por ejemplo, en las teorías unificadas de las interaccio­nes débil, fuerte y electromagnética existen al menos otros dos campos escalares. La energía potencial de es­tos campos escalares puede presentar varios mínimos distintos. Esto quiere decir que podría haber distintos “estados de vacío”, co­rrespondientes a diferentes tipos de ruptura de simetría entre las interac­ciones fundamentales y como consecuencia distintas leyes de baja energía. Tendríamos entonces distintas burbujas con distintas leyes físicas, donde incluso el número de dimensiones espacio-temporales podría ser distinto.

Si este modelo es correcto, entonces la física no nos dará, por sí sola, una explicación completa de todas las propieda­des de la región del universo que nos ha tocado habitar. La misma teoría física podría dar lugar a regiones enormes del universo que poseyesen propiedades muy distintas. Según este modelo nos hallamos dentro de un dominio tetra dimensional que tiene nuestro tipo de leyes físicas, no porque dominios con distinta dimensionalidad y propiedades distintas sean im­posibles o improbables, sino por la sencilla razón de que nuestro tipo de vida no podría existir en otros dominios.

Ahora bien, es importante destacar que los modelos inflacionarios se basan en la teoría de par­tículas elementales, de la que no po­demos decir que esté totalmente aceptada. Algunas versiones (en es­pecial, la teoría de supercuerdas) no llevan directamente a la inflación y obtener un modelo Inflacionario compatible con la teoría de supercuerdas podría ser un desafío.

Por esta razón, seguimos buscando teorías cosmológicas alternativas. Pero son muchos los creen que la inflación, o algo simi­lar, es absolutamente esencial para la construcción de una teoría cosmoló­gica coherente.