¿Existe una inflación cósmica? El Big Bang es solo un espejo que esconde otro universo detrás de él

Vivimos en una época dorada para aprender sobre el universo. Nuestros telescopios más potentes han revelado que el cosmos es sorprendentemente simple en las mayores escalas visibles. Del mismo modo, nuestro “microscopio” más poderoso, el Gran Colisionador de Hadrones, no ha encontrado desviaciones de la física conocida en las escalas más pequeñas.

Estos hallazgos no fueron lo que la mayoría de los teóricos esperaban. Hoy, el enfoque teórico dominante combina la teoría de cuerdas, un poderoso marco matemático sin predicciones físicas exitosas hasta ahora, y la “inflación cósmica” , la idea de que, en una etapa muy temprana, el universo aumentó enormemente de tamaño. En combinación, la teoría de cuerdas y la inflación predicen que el cosmos será increíblemente complejo en escalas diminutas y completamente caótico en escalas muy grandes.

La naturaleza de la complejidad esperada podría adoptar una variedad desconcertante de formas. Sobre esta base, y a pesar de la ausencia de evidencia observacional, muchos teóricos promueven la idea de un “multiverso”: un cosmos incontrolado e impredecible que consta de muchos universos, cada uno con propiedades físicas y leyes totalmente diferentes.

Hasta ahora, las observaciones indican exactamente lo contrario. ¿Qué debemos hacer con esta discrepancia? Una posibilidad es que la aparente simplicidad del universo sea meramente un accidente de la limitada gama de escalas que podemos explorar hoy, y que cuando las observaciones y los experimentos alcancen escalas lo suficientemente pequeñas o lo suficientemente grandes, se revelará la supuesta complejidad.

La otra posibilidad es que el universo sea realmente muy simple y predecible tanto en la escala más grande como en la más pequeña. Creo que esta posibilidad debería tomarse mucho más en serio, porque, si es verdad, tal vez estemos más cerca de lo que imaginábamos de comprender los enigmas más básicos del universo y es posible que algunas de las respuestas ya estén ante nuestras narices.

La ortodoxia actual es la culminación de décadas de esfuerzos de miles de teóricos serios. Según la teoría de cuerdas, los componentes básicos del universo son minúsculos bucles vibrantes y trozos de cuerdas subatómicas. Tal como se entiende actualmente, la teoría solo funciona si hay más dimensiones del espacio que las tres que experimentamos. Por lo tanto, los teóricos de cuerdas suponen que la razón por la que no las detectamos es que son diminutas y están enrolladas.

Lamentablemente, esto hace que la teoría de cuerdas sea difícil de probar, ya que hay una cantidad casi inimaginable de formas en las que las dimensiones pequeñas pueden curvarse, y cada una de ellas proporciona un conjunto diferente de leyes físicas en las dimensiones grandes restantes.

Mientras tanto, la inflación cósmica es un escenario propuesto en la década de 1980 para explicar por qué el universo es tan liso y plano en las mayores escalas que podemos ver. La idea es que el universo infantil era pequeño y abultado, pero una explosión extrema de expansión ultrarrápida lo hizo aumentar enormemente de tamaño, suavizándolo y aplanándolo hasta que fuera coherente con lo que vemos hoy.

La inflación también es popular porque explica potencialmente por qué la densidad de energía en el universo primitivo variaba ligeramente de un lugar a otro. Esto es importante porque las regiones más densas se habrían colapsado posteriormente bajo su propia gravedad, lo que habría propiciado la formación de galaxias.

En las últimas tres décadas, las variaciones de densidad se han medido con cada vez mayor precisión tanto mediante el mapeo del fondo cósmico de microondas (la radiación del Big Bang) como mediante el mapeo de la distribución tridimensional de las galaxias.

En la mayoría de los modelos de inflación, el estallido inicial de expansión extrema que suavizó y aplanó el universo también generó ondas gravitacionales de longitud de onda larga (ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo). Si se observaran, esas ondas serían una señal irrefutable que confirmaría que la inflación realmente tuvo lugar. Sin embargo, hasta ahora las observaciones no han logrado detectar ninguna señal de ese tipo. En cambio, a medida que los experimentos han ido mejorando constantemente, se han descartado cada vez más modelos de inflación

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Además, durante la inflación, las distintas regiones del espacio pueden experimentar niveles muy distintos de expansión. A escalas muy grandes, esto produce un multiverso de universos posinflacionarios, cada uno con propiedades físicas diferentes.

El escenario de la inflación se basa en suposiciones sobre las formas de energía presentes y las condiciones iniciales. Si bien estas suposiciones resuelven algunos enigmas, crean otros. Los teóricos de cuerdas y de la inflación esperan que en algún lugar del vasto multiverso inflacionario exista una región del espacio y del tiempo con las propiedades adecuadas para coincidir con el universo que vemos.

Sin embargo, incluso si esto fuera cierto (y todavía no se ha encontrado ningún modelo de este tipo), una comparación justa de teorías debería incluir un “factor de Occam”, que cuantifique la navaja de Occam, que penaliza las teorías con muchos parámetros y posibilidades en detrimento de las más simples y predictivas. Ignorar el factor de Occam equivale a suponer que no hay alternativa a la hipótesis compleja e impredecible, una afirmación que, en mi opinión, tiene poco fundamento.

En las últimas décadas, ha habido muchas oportunidades para que experimentos y observaciones revelaran señales específicas de la teoría de cuerdas o de la inflación, pero no se ha visto ninguna. Una y otra vez, las observaciones resultaron más simples y mínimas de lo previsto.

Creo que ya es hora de reconocer estos fracasos y aprender de ellos, y de empezar a buscar seriamente alternativas mejores.

Recientemente, mi colega Latham Boyle y yo hemos intentado construir teorías más simples y comprobables que eliminen la inflación y la teoría de cuerdas. Siguiendo el ejemplo de las observaciones, hemos intentado abordar algunos de los enigmas cósmicos más profundos con un mínimo de supuestos teóricos.

Nuestros primeros intentos tuvieron un éxito que superó nuestras esperanzas más optimistas. El tiempo dirá si resisten un examen más detenido. Sin embargo, los avances que ya hemos logrado me convencen de que, con toda probabilidad, existen alternativas a la ortodoxia convencional, que se ha convertido en una camisa de fuerza de la que debemos liberarnos.

Espero que nuestra experiencia anime a otros, especialmente a los investigadores más jóvenes, a explorar nuevos enfoques guiados en gran medida por la simplicidad de las observaciones y a ser más escépticos respecto de las ideas preconcebidas de sus mayores. En última instancia, debemos aprender del universo y adaptar nuestras teorías a él, y no al revés.

Boyle y yo comenzamos abordando una de las mayores paradojas de la cosmología. Si seguimos el universo en expansión hacia atrás en el tiempo, utilizando la teoría de la gravedad de Einstein y las leyes conocidas de la física, el espacio se encoge hasta un único punto, la “singularidad inicial”.

Al intentar dar sentido a este comienzo infinitamente denso y caliente, los teóricos, entre ellos el premio Nobel Roger Penrose, señalaron una profunda simetría en las leyes básicas que rigen la luz y las partículas sin masa. Esta simetría, llamada simetría “conforme”, significa que ni la luz ni las partículas sin masa experimentan realmente la contracción del espacio en el Big Bang.

Si se aprovecha esta simetría, se puede seguir la luz y las partículas hasta el principio. De este modo, Boyle y yo descubrimos que podíamos describir la singularidad inicial como un “espejo”: un límite reflectante en el tiempo (con el tiempo avanzando por un lado y retrocediendo por el otro).

La representación del Big Bang como un espejo explica de forma clara muchas características del universo que, de otro modo, podrían parecer contrarias a las leyes más básicas de la física. Por ejemplo, para cada proceso físico, la teoría cuántica permite un proceso “espejo” en el que se invierte el espacio, se invierte el tiempo y cada partícula es reemplazada por su antipartícula (una partícula similar a ella en casi todos los aspectos, pero con la carga eléctrica opuesta).

Según esta poderosa simetría, llamada simetría CPT, el proceso “espejo” debería ocurrir exactamente a la misma velocidad que el original. Uno de los enigmas más básicos sobre el universo es que parece [violar la simetría CPT] porque el tiempo siempre avanza y hay más partículas que antipartículas .

Nuestra hipótesis del espejo restablece la simetría del universo. Cuando te miras en un espejo, ves tu imagen reflejada detrás de él: si eres zurdo, la imagen es diestra y viceversa. La combinación de ti y tu imagen reflejada es más simétrica que tú solo.

De la misma manera, cuando Boyle y yo extrapolamos nuestro universo hasta el Big Bang, encontramos su imagen especular, un universo anterior al Big Bang en el que (en relación con nosotros) el tiempo transcurre hacia atrás y las antipartículas superan en número a las partículas. Para que esta imagen sea verdadera, no necesitamos que el universo espejo sea real en el sentido clásico (así como tu imagen en un espejo no es real). La teoría cuántica, que rige el microcosmos de átomos y partículas, desafía nuestra intuición, así que en este punto lo mejor que podemos hacer es pensar en el universo espejo como un dispositivo matemático que garantiza que la condición inicial para el universo no viole la simetría CPT.

Sorprendentemente, esta nueva imagen proporcionó una pista importante sobre la naturaleza de la sustancia cósmica desconocida llamada materia oscura. Los neutrinos son partículas muy ligeras y fantasmales que, por lo general, se mueven a una velocidad cercana a la de la luz y que giran a medida que avanzan, como si fueran peonzas diminutas. Si apuntas con el pulgar de tu mano izquierda en la dirección en la que se mueve el neutrino, entonces tus cuatro dedos indican la dirección en la que gira. Los neutrinos ligeros observados se denominan neutrinos “zurdos”.

Los neutrinos pesados “diestros” nunca se han visto directamente, pero su existencia se ha inferido a partir de las propiedades observadas de los neutrinos ligeros, levógiros. Los neutrinos diestros estables serían el candidato perfecto para la materia oscura porque no se acoplan a ninguna de las fuerzas conocidas excepto la gravedad. Antes de nuestro trabajo, se desconocía cómo podrían haberse producido en el universo temprano y caliente.

Nuestra hipótesis del espejo nos permitió calcular exactamente cuántos se formarían y demostrar que podrían explicar la materia oscura cósmica.

A esto le siguió una predicción comprobable: si la materia oscura consiste en neutrinos diestros estables, entonces uno de los tres neutrinos ligeros que conocemos debe ser exactamente sin masa. Sorprendentemente, esta predicción ahora se está poniendo a prueba utilizando observaciones de la agrupación gravitacional de la materia realizadas mediante estudios de galaxias a gran escala.

Alentados por este resultado, nos propusimos abordar otro gran enigma: ¿por qué el universo es tan uniforme y espacialmente plano, y no curvo, en las mayores escalas visibles? Después de todo, el escenario de la inflación cósmica fue inventado por los teóricos para resolver este problema.

La entropía es un concepto que cuantifica la cantidad de formas distintas en que se puede organizar un sistema físico. Por ejemplo, si ponemos algunas moléculas de aire en una caja, las configuraciones más probables son aquellas que maximizan la entropía, es decir, que las moléculas se distribuyan de manera más o menos uniforme por todo el espacio y compartan la energía total de manera más o menos equitativa. Este tipo de argumentos se utilizan en física estadística, el campo en el que se sustenta nuestra comprensión del calor, el trabajo y la termodinámica.

El difunto físico Stephen Hawking y sus colaboradores generalizaron la física estadística para incluir la gravedad. Utilizando un argumento elegante, calcularon la temperatura y la entropía de los agujeros negros. Utilizando nuestra hipótesis del “espejo”, Boyle y yo logramos extender sus argumentos a la cosmología y calcular la entropía de universos enteros.

Para nuestra sorpresa, el universo con la entropía más alta (es decir, el más probable, al igual que los átomos esparcidos en la caja) es plano y se expande a un ritmo acelerado, al igual que el real. Por lo tanto, los argumentos estadísticos explican por qué el universo es plano y liso y tiene una pequeña expansión acelerada positiva , sin necesidad de inflación cósmica.

¿Cómo se habrían generado las variaciones de densidad primordiales, generalmente atribuidas a la inflación, en nuestro universo simétrico? Recientemente, demostramos que un tipo específico de campo cuántico (un campo de dimensión cero) genera exactamente el tipo de variaciones de densidad que observamos , sin inflación. Es importante destacar que estas variaciones de densidad no están acompañadas por las ondas gravitacionales de longitud de onda larga que predice la inflación, y que no se han observado.

Estos resultados son muy alentadores, pero se necesita más investigación para demostrar que nuestra nueva teoría es matemáticamente sólida y físicamente realista.

Incluso si nuestra nueva teoría fracasa, nos habrá enseñado una valiosa lección: es posible que existan explicaciones más simples, más poderosas y más comprobables para las propiedades básicas del universo que las que ofrece la ortodoxia convencional.

Al enfrentar los profundos enigmas de la cosmología, guiados por las observaciones y explorando direcciones aún inexploradas, podremos sentar bases más seguras tanto para la física fundamental como para nuestra comprensión del universo.

*Neil Turok, Cátedra Higgs de Física Teórica, Universidad de Edimburgo