Universos paralelos y el proceso inflacionario

Si conoces algo sobre la teoría del Big Bang, me imagino que también tendrás ciertas nociones sobre la expansión del universo. El público general, suele entender este proceso de expansión como un globo que se va hinchando, de forma que va aumentando su tamaño conforme las fronteras (el plástico que constituye el globo) se van alejando. Para precisar esta analogía, se debería indicar también que el globo se va enfriando conforme se hincha. Por ello, la radiación cósmica de fondo de microondas (el eco del Big Bang), muestra una temperatura tan pequeña como - 270 ºC (muy cercana al cero absoluto). Además, el ejemplo del globo puede traer ciertas complicaciones ya que niega el “principio cosmológico”, que establece que cualquier observador en cualquier parte, debe contemplar más o menos la misma imagen del universo en su conjunto. Dos personas situadas, una en el centro del globo, y la otra en la superficie del mismo, observarían un “universo” muy diferente. Sin embargo, el principio cosmológico, impone una homogeneidad muy exigente para el universo, ¿por qué el universo debería de ser tan uniforme? Lo cierto es que el propio principio cosmológico no responde a esta pregunta, pero ésta y otras dudas si serían resueltas, en el caso de que se probara que en el inicio temprano del universo, existió una expansión ultrarrápida del mismo, denominada “época inflacionaria”. En esta época, el universo sufriría una expansión colosal, inmensamente mayor que el ritmo habitual de expansión que solemos asociar con el Big Bang. Aunque no existe un consenso, este periodo, debería situarse desde los primeros 10^-35 segundos hasta los 10^-33 segundos (inmediatamente después del Big Bang), un periodo inimaginablemente breve. Como veremos en este artículo, la época inflacionaria, ayuda a resolver una serie de problemas que aborda la cosmología.

En primer lugar, tenemos el problema de la planitud. Si el universo se hubiese expandido a una velocidad constante, lo lógico es que su forma fuese esférica o similar, como ocurre cuando hinchamos un globo. Sin embargo, las observaciones determinan que el universo es mucho más plano de lo que explicarían las teorías previas al modelo inflacionario, ¿cómo es posible? Bien, pues continuando con el ejemplo del globo, imagina que estás hinchándolo, y de repente adquiere un tamaño gigantesco, algo descomunal. Da igual la curvatura inicial que tuviese el globo, esta expansión extremadamente rápida “estiraría” cualquier curvatura inicial a una escala tan grande que cualquier curvatura se volvería insignificante. Cualquier parte de la superficie del globo parecería plana. De esta forma, la “época inflacionaria” genera universos planos, y por ende, resuelve el problema de la planitud.

El segundo problema al que se enfrenta la cosmología en este artículo, es el conocido como “Problema del horizonte”. Concretamente, este problema se basa en la isotropía del universo (se ve igual en cualquier lugar como defiende el principio cosmológico) y en el fondo cósmico de microondas, que es ese eco (en forma de radiación de microondas) residual del Big Bang. Lo que ocurre en el universo, cuando se estudian regiones muy distantes, es que la radiación de fondo de microondas es prácticamente idéntica en todas estas regiones. Esto al profano puede que no le parezca ningún problema, pero que dos regiones tan distantes, que ni siquiera la luz haya podido viajar de una a otra, muestren unas condiciones tan similares como si pudieran comunicarse entre ellas, es algo insólito. Es decir, la condición mínima para que un fenómeno físico pueda influir en otro, es que ambos fenómenos puedan conectarse mediante una rayo de luz, y ni siquiera esta condición se respeta (la luz no tiene la velocidad suficiente como para conectar dos regiones tan distantes), entonces la homogeneidad del fondo cósmico de microondas a lo largo de todo el universo, es muy peculiar, por no decir inexplicable. Sin embargo, una vez más, el proceso inflacionario sale al rescate. A pesar de que existan regiones en el universo, que están causalmente desconectadas (les separa una distancia tal que la luz no ha podido ir de una región a otra) , durante el periodo inflacionario, estaban tan próximas entre sí que estuvieron causalmente conectadas. Además, como este proceso inflacionario fue tan abrupto, puede que las distribuciones de radiaciones se suavizaran. Es decir, la hiperinflación diluyó el universo, logrando que regiones muy distantes fueran semejantes y generando la homogeneidad del fondo cósmico de microondas.

Aunque hayamos visto como el proceso inflacionario ha resuelto algunos problemas de la cosmología, lo cierto es que también genera otros. Como esta teoría conlleva a un universo homogéneo y sin irregularidades, ¿cómo se generan las fluctuaciones necesarias para crear los enjambres de galaxias que observamos? (las galaxias tienden a acumulase en grandes enjambres o cúmulos, intercalados por regiones de espacio casi vacío), ¿no debería ser también homogénea la distribución de las galaxias? Para responder a esta cuestión, es necesario emplear la mecánica cuántica y su reinado de probabilidades. Tras el Big Bang, cuando el universo se albergaba en un espacio del tamaño de un núcleo atómico, los efectos cuánticos podrían provocar fácilmente variaciones de densidad que durante la inflación se agrandaron hasta formar los grandes cúmulos de galaxias que observamos hoy. Por estas razones el modelo inflacionario es tan aceptado a día de hoy, ya que ningún otro es capaz de explicar simultáneamente la homogeneidad del universo, y esas irregularidades espaciales (cúmulos de galaxias intercalados en espacio vacío) que observamos experimentalmente.

Otro de los problemas (si es que se puede llamar así) que muestra el modelo inflacionario, es que el paso de la etapa previa, al proceso de inflación, no necesariamente hubo de producirse de forma simultánea en todo el universo. Nada impide que el proceso inflacionario ocurra en lugares distintos en momentos distintos. Bajo esta premisa, el universo debería de verse con muchas regiones o “burbujas” de espacio tiempo desligadas entre sí, y cada una de ellas con diferentes leyes físicas. Estas burbujas, deberían de formar aglomeraciones de enormes racimos donde los límites de cada burbuja, se detectasen claramente (algo parecido se observa en la serie animada de ciencia-ficción “Rick y Morty”). Sin embargo, nada semejante ha sido observado por los astrónomos. Según el modelo de Linde, estas regiones del espacio o burbujas, no aparecen formando racimos, sino que formarían un entramado uniforme, donde las burbujas, unas junto a otras, formarían dominios. Estos, se desarrollarían de forma independiente, y cada uno de ellos crecería hasta el tamaño de una galaxia tras el periodo inflacionario. Después de miles de millones de años de expansión, los límites de cada dominio estarían mucho más allá del alcance de cualquier observación. Según esta teoría, nuestro universo, con sus miles de millones de galaxias, no sería más que una milcuatrilllonésima parte de un dominio, existiendo un número incontable de dominios. Además, mediante este modelo, puede deducirse una existencia eterna para el universo, borrando de un plumazo el problema del origen y la “necesidad” (para nada necesaria) de un creador.

Esta teoría basada en el modelo de Linde recibe el nombre de autorregeneración del universo inflacionario, y aunque no está desarrollada, el número de investigadores que se dedican a ella la postula como una óptima candidata para sustituir al modelo del Big Bang. La idea básica consiste en suponer que el universo contiene al menos un dominio inflacionario, suficientemente grande para comenzar a crear nuevos dominios inflacionarios. La inflación puede cesar de repente en cualquiera de estos dominios, pero otras regiones seguirán expandiéndose rápidamente, haciendo que el volumen total de dominios crezca sin límites. De un universo inflacionario, brotan nuevas burbujas inflacionarias, de las cuales brotan más y más. Este marco teórico creado por Linde, se denomina “Inflación eterna”, ya que cada nuevo proceso inflacionario genera lo que podríamos llamar “nuevos universos”. Es decir, la formación de una nueva burbuja inflacionaria, debe ser considerada como un nuevo Big Bang, de forma que la gran explosión se considere una consecuencia del modelo inflacionario. Dentro de cada una de estas burbujas universo, las partículas elementales y hasta las dimensiones del espacio-tiempo, podrían ser diferentes. Las fluctuaciones cuánticas durante el proceso inflacionario, podrían hacer que el número de dimensiones del espacio-tiempo sean distintas de un dominio a otro, generando universos gobernados por leyes físicas y partículas exóticas para nosotros. Estos universos podrían evolucionar de diversas formas, expandiéndose durante miles de millones de años (como el nuestro) o naciendo muertos y colapsando tras una breve existencia (ya que sus leyes físicas no permiten la complejidad de nuestro universo). Mediante el modelo de “inflación eterna”, también se resuelve el problema cosmológico del “ajuste fino” que indica que las diferentes constantes universales y diversos parámetros de nuestro universo, están ajustados de forma extraordinariamente precisa para la formación de estructuras complejas como las estrellas, los planetas y en última instancia, la vida. Con una infinitud de universos burbuja, es muy probable que aparezca uno que cumpla con todas estos requisitos y muestre esos valores tan precisos de las constantes universales.

Cabe resaltar que estos modelos derivados del proceso inflacionario, son teorías en desarrollo, y según algunos científicos tienen un carácter altamente especulativo. El famoso cosmólogo Roger Penrose, que desarrolló el teorema de la singularidad junto a Stephen Hawking, afirma que la inflación no es más que una moda que los físicos de altas energías (o físicos de partículas aunque no se dedican exactamente a lo mismo) han contagiado a los cosmólogos, quienes deslumbrados por todas las cuestiones que esclarece este modelo, se han declarado seguidores del mismo. Sin embargo, a pesar de estos eminentes detractores, lo cierto es que la mayoría de las hipótesis sobre el universo primitivo, incorporan la idea de inflación.

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