El principio antrópico: ¿es el mundo así por nosotros?

Una de las ideas que ha suscitado mayor discusión en las últimas décadas, en un terreno intermedio entre la ciencia y la filosofía, es el llamado Principio Antrópico.

Curiosas coincidencias (o no)

Todas las versiones del principio antrópico parten de la misma constatación: hay una cierta cantidad de constantes y propiedades fundamentales de nuestro universo cuyos valores parecen críticos para que la vida en general sea posible. Por ejemplo, el equilibrio entre las fuerzas electromagnéticas y gravitatorias en esencial para que puedan formarse estructuras como las estrellas y planetas, el número de dimensiones espaciales (tres) es el adecuado para que pueda haber órbitas estables, etc.

Se sabe que si algunos de estos valores fuera incluso ligeramente diferente al actual, las estructuras comunes de nuestro universo, y por tanto la vida y nuestra propia existencia, no serían posibles.

En este vídeo podemos hacer un repaso general a estas constantes universales y su importancia:

Sin embargo, aunque hay un acuerdo bastante amplio sobre la realidad de estas 'improbables coincidencias favorables a la vida', también es posible que estemos cayendo en una falacia sin darnos cuenta:

• El hecho de que las estructuras que conocemos (moléculas de carbono, por ejemplo) solo sean factibles dentro de ciertos márgenes en las constantes fundamentales, no quiere decir con otros valores no pudieran existir otras estructuras que permitieran también sistemas autoreplicantes que evolucionaran (es decir, la vida). Javier Sampedro desarrolla este punto en este excelente artículo.

• Realmente no sabemos aún (y es posible que tardemos mucho en saberlo) si hay una explicación científica de los valores de las constantes fundamentales. Por hoy no existe, y muchos científicos tienen a pensar por ello que esos valores son contingentes: podrían ser muy diferentes en otros universos o si nuestro Big Bang se hubiera desarrollado de otra forma. Pero también es posible que una Teoría del Todo demuestre que esas constantes no son casuales sino fruto de relaciones entre fuerzas, espacio y tiempo, u otros conceptos más fundamentales que aún permanecen ocultos.

Sin embargo, a partir de la formulación por el astrónomo Brandon Carter en 1974, y su exposición popular en el libro "Historia del Tiempo" de Stephen Hawking, hoy en día hay un gran acuerdo en el punto de partida fundamental del Principio Antrópico, que según Hawking sería:

“Vemos el universo de la forma que es porque si fuese diferente no estaríamos aquí para observarlo”

Versiones débiles y fuertes del principio

Ya en su conferencia de 1974, Brandon expuso varias posibles formas de interpretar o explicar el principio antrópico, clasificando estas formas en 'fuertes' y 'débiles'.

Podríamos resumir los dos tipos de explicaciones de la siguiente forma:

• Forma débil: Seguramente la vida y nosotros mismos no podríamos existir en un universo que tuviera constantes fundamentales bastante diferentes al nuestro, pero la explicación de este hecho es sencilla: si nuestro universo hubiera sido de una de esas otras formas, nosotros no estaríamos aquí haciéndonos la pregunta. Por tanto, del simple hecho de que existimos podemos deducir que el universo debe tener características físicas favorables a nuestra aparición.

Para algunos autores esta forma débil no es más que una tautología o un mero juego con el lenguaje, que realmente no aporta mucho a nuestro conocimiento. Sin embargo, para otros es un principio interesante en la medida en que, basándose en la existencia de la vida, da una explicación de por qué el universo tiene ciertas características.

Los críticos del principio débil argumentan que éste no explica cómo es posible que se haya dado la combinación improbable de características que favorece la vida.

Los partidarios de la versión débil pueden replicar que no es necesaria tal explicación, porque nuestro universo no es único: hay muchos otros universos paralelos en los que no existe la vida, o bien se han dado o se darán en otros ciclos evolutivos de nuestro propio universo. Tan solo tenemos la suerte de estar en uno de los universos favorables a la vida.

Mi argumento favorito contra la 'improbabilidad' de nuestro universo es la de Stanislaw Lem, que veremos más adelante.

• Forma fuerte: según esta versión, hay una razón por la cual el universo tiene características favorables a la vida, no es una mera casualidad o el resultado de nuestra suerte de vivir en uno de los universos adecuados.

Como veremos, hay diferentes interpretaciones sobre cuál podría ser esta razón que predispone al universo a ser favorable a la vida. Por el momento examinaremos la versión débil, favorecida por la mayoría de los físicos.

Una gota en el multiverso

La moderna teoría de cuerdas, que intenta unificar nuestro conocimiento de las fuerzas, la materia y el espacio-tiempo, propone que nuestro universo es como una burbuja o membrana con la que pueden coexistir muchas otras, otros universos, dentro de un espacio de dimensión mayor que se llamaría multiverso.

La idea es que los universos se forman espontáneamente debido a algún tipo de fluctuación en el espacio multidimensional del mutiverso, como las burbujas en una bebida gaseosa, pero al 'enfriarse' cada universo la unicidad inicial de las fuerzas y la materia cristaliza en diferentes interacciones y estructuras, debido a que ciertas constantes fundamentales de la física toman valores al azar.

El físico Alan Guth, autor de la explicación inflacionaria del Big Bang, lo explica en esta excelente entrevista.

El hecho de que vivamos en un universo donde se dan estructuras y fuerzas favorables a la vida sería obvio dada nuestra existencia, pero no sería necesaria ninguna razón especial para explicarlo.

Leonard Susskind, uno de los padres de la teoría de supercuerdas, explica a Eduard Punset la relación entre el multiverso y el principio antrópico:

Pero, ¿no sería posible que esta creación de múltiples universos tendiera de alguna forma a favorecer los más aptos para la vida? Esta es la teoría de la selección natural cosmológica, desarrollada por el físico Lee Smolin.

Smolin aplica a los universos individuales la selección darwiniana que habitualmente aplicamos a los seres vivos. Según este físico, los universos se reproducirían a través de sus agujeros negros, y por tanto los universos que produjeran más agujeros negros tendrían más descendencia. Argumenta también que precisamente las características que producen más agujeros negros son también favorables para que se creen estructuras como estrellas, planetas y seres vivos, y por tanto habría una selección cósmica de aquellos universos que tienen características más favorables a la vida.

La teoría de Smolin no es vista como viable por una mayoría de físicos, pero es ciertamente curiosa e interesante.

En el siguiente video, Richard Dawkins comenta la versión débil del principio antrópico y las ideas de Smolin, que obviamente son atractivas para él como biólogo evolucionista. Cuidado, porque la traducción a español no es siempre acertada.

¿Un universo creado para nosotros?

La versión fuerte del principio antrópico, que ve necesaria una razón por la cual las constantes del universo favorecen la vida, lleva fácilmente a una interpretación religiosa. Si hay un ser superior que ha creado o diseñado el universo, es lógico que éste tenga características favorables a la vida inteligente. Lo que parece coincidencia o azar, no lo es según esta visión.

Algunos autores incluso ven el principio antrópico como una prueba científica de la existencia de Dios. Otros piensan que el principio en sí no es científico, sino metodológico o filosófico, y no hablan directamente de un ser superior pero interpretan, como John Barrow, que debe haber al menos alguna fuerza o proceso responsable de las características favorables del universo.

El siguiente vídeo presenta de una forma clara la visión religiosa:

Obviamente pueden plantearse muchas críticas a esta visión, y puede preguntarse si el papel del ser superior se limitó a decidir los valores de las constantes fundamentales, lo cual sería una postura más deísta que convencionalmente religiosa (teísta).

Estoy tratando de perfeccionar un diseño inteligente, pero me siguen saliendo un montón de tontos, fascistas, fundamentalistas y fanáticos religiosos. Supongo que mejor voy a dejar que evolucione la cosa.

El universo participativo

La interpretación religiosa no es la única que puede ofrecer una razón para el principio antrópico fuerte, es decir, para explicar directamente por qué las constantes fundamentales del universo favorecen la vida.

El físico John Archibald Wheeler parte de la interpretación 'mística' de la observación de la realidad que algunos autores derivan de la física cuántica, suponiendo que solamente un observador consciente puede transformar en estados definidos las ondas de probabilidad, como discutí en esta entrada.

Según esta idea, es la consciencia humana la que crea verdaderamente la realidad a partir de las posibilidades gobernadas por las ecuaciones cuánticas.

Lo característico de la idea de Wheeler es que la consciencia humana no solamente determinaría la realidad presente sino también todo el pasado que ha llevado hasta esa consciencia. Su razonamiento no es tan descabellado como parece, ya que según la mecánica cuántica mientras no haya observaciones (que deben realizarse por una consciencia, según Wheeler) la realidad evoluciona en forma de superposiciones de diferentes posibilidades.

Así, durante millones de años nuestro universo habría evolucionado como simples probabilidades, hasta que en una de las posibles ramas de posibilidades que se abrieron en su evolución se generó la consciencia. Esta consciencia fue entonces capaz de transformar las probabilidades observadas de esa rama en realidad. Solamente la línea histórica que llevaba hasta la consciencia se convirtió en real.

Aquellos universos-probables que no engendraron consciencia ni siquiera llegaron a existir.

Por lo cuál vemos que realmente la existencia de un universo dependería de que fuera capaz de generar consciencia. Es el concepto de Principio Antrópico Participativo o universo participativo.

Por tanto, tendríamos una explicación de por qué en nuestro universo se dan las constantes físicas adecuadas para sustentar la vida: porque de otra forma no habría consciencia capaz de haber hecho real el universo.

La idea de Wheeler es muy intrigante, porque de alguna forma resuelve el problema del origen del universo (fuimos nosotros quienes lo creamos), pero a costa de crear una paradoja del tipo "la gallina y el huevo": ¿Cómo se convierte en real la consciencia si depende de ella misma para convertir en real el universo que la crea?

Quizás para salir de este atolladero, Wheeler, maestro en crear teorías curiosas, ha sido uno de los proponentes de la Pregeometría, es decir, de una estructura de la realidad previa y más fundamental que el espacio-tiempo que conocemos.

El universo solipsista y el amigo de Wigner

Otro problema que plantea la visión de un universo creado por la consciencia es que, si somos estrictos, cada uno de nosotros solamente tiene pruebas directas de la existencia de una consciencia: la suya.

La postura solipsista, de larga tradición filosófica, afirma que solo mi existencia es real. El resto del universo, incluidas las demás personas, no son reales o bien requieren de mi consciencia para serlo.

El físico Eugene Wigner se convenció de que parecía la única opción lógica, a partir de su análisis del problema del colapso de la función de probabilidad en la mecánica cuántica. Si somos consistentes, decía, no es que se requiera una consciencia para dar realidad a las posibilidades superpuestas, si no que ésta no se produce hasta que yo no realizo la observación.

Así, la interpretación de Wigner de la paradoja del gato de Schrödinger, que comenté en esta entrada anterior, es que cualquier persona (que no sea yo) que observe el gato también estará en una superposición de estados hasta que yo no la observe a ella. Esta formulación se conoce como la paradoja del amigo de Wigner.

Si combinamos las ideas de Wheeler y Wigner resultaría que el universo solamente existe para que YO exista, o visto de otra manera, el universo no fue real hasta que aparecí yo para observarlo.

En realidad no hay científicos, que yo sepa, que realmente crean estas afirmaciones, pero resulta una interesante crítica a la idea de que la consciencia crea la realidad (¿la consciencia de quién?). A menos que se pueda caracterizar objetivamente qué es la consciencia y qué tiene de especial para realizar (supuestamente) el colapso de las probabilidades cuánticas, no se puede construir un discurso consistente sobre esa idea.

Para un resumen de las interpretaciones de la medida cuántica, las posiciones de Wheeler y Wigner, y la relación con el principio antrópico, os recomiendo este artículo de Martin Gardner.

El solipsismo panteísta universal de Robert Heinlein

En su provocadora novela El Número de la Bestia y sus secuelas, el escritor de ciencia ficción Robert A. Heinlein nos propone otro concepto curioso del universo, emparentado con el concepto de universo participativo y con el solipsismo.

En esa visión el universo tendría tres dimensiones temporales, además de las tres dimensiones espaciales habituales.

• Una dimensión de tiempo sería la que conocemos, la que une pasado, presente y futuro.

• La segunda dimensión de tiempo daría acceso a los universos alternativos, otras posibles evoluciones más o menos cercanas a nuestro propio universo

• Finalmente, la tercera dimensión daría acceso a otros universos generados a partir de la fantasía y la imaginación de los habitantes del 'multiverso'.

Así, los mundos de Oz o Star Wars, y los de Lovecraft, Verne o cualquier otro autor, serían reales en alguna posición a lo largo de este tercer eje de coordenadas temporal, al igual que otras 'fantasías' desconocidas para nosotros.

Los protagonistas, gracias a la máquina desarrollada por el profesor Jacob Burroughs, visitan algunos de estos mundos extraídos de sus lecturas juveniles (en realidad las del propio Heinlein).

En un momento dado, los protagonistas se dan cuenta de que ellos mismos son también personajes de un universo de ficción, y su historia es conocida en otros universos. Es lo que Heinlein llama el Mundo como Mito. Las historias y los mitos no son mero entretenimiento, sino que crean universos reales como el nuestro, que a su vez puede ser también un mito. Cada universo es imaginado por alguien en otro universo.

Pero, como las fantasías dependen de la educación y lecturas de cada uno, al final el acceso a la dimensión de la fantasía se convierte en una experiencia de 'solipsismo de grupo', lo que los personajes bautizan como Solipsismo Panteísta Universal: ellos entran precisamente en aquellos mundos fantásticos que conocen y adoran.

Obviamente, esto es una excusa de Heinlein para hacer un homenaje a sus historias favoritas y refleja la tentación afectuosa de todo narrador de reconocer los mundos imaginados como dotados de realidad propia.

Pero aunque sea una excusa narrativa no deja de ser un concepto atrayente; pensar que podría existir esta simetría entre realidad y fantasía, difuminándose la diferencia entre ambas. Al fin y al cabo todos interpretamos nuestro propio mundo a través de narrativas y recuerdos que le dan sentido, pero que son en buena medida fantasías por derecho propio.

La imposibilidad de la existencia: Stanislaw Lem y el pelotón de fusilamiento de John Leslie

Otro maestro de la ciencia ficción seria y satírica fue el polaco Stanislaw Lem, en cuyas obras se basan películas como las distintas versiones de Solaris y la reciente El Congreso.

Uno de los recursos utilizados por Lem para exponer ideas nada convencionales fue escribir prólogos o reseñas de libros inexistentes. Estos textos están recogidos en sus obras Un Valor Imaginario (Magnitud Imaginaria) y Vacío Perfecto:

Una de las piezas de Vacío Perfecto se llama "De Impossibilitate Vitae / De Impossibilitate Prognoscendi", o sea, "Sobre la Imposibilidad de la Vida / Sobre la Imposibilidad de Pronosticar". Podéis encontrar el texto aquí.

Se trata de una reseña del libro (en dos tomos) del matemático ficticio Cesar Kouska, en la que demuestra científicamente la imposibilidad de su propia existencia, y de hecho la imposibilidad de que exista cualquier cosa. Para ello utiliza las reglas del cálculo de probabilidades, aplicando de forma rigurosa un razonamiento que todos hemos hecho alguna vez de manera informal.

Su objetivo es calcular la probabilidad de haber nacido. Para ello utiliza un árbol genealógico inverso, retrocediendo a los acontecimientos que sucedieron para que sus padres se encontraran, luego a sucesos que llevaron al encuentro de sus abuelos, y así sucesivamente.

Estimando las probabilidades de que cada pareja se conociera y de que el óvulo y espermatozoide adecuados se encontraran, se da cuenta de que la probabilidad total de que él exista, calculada mediante la multiplicación de las anteriores (todas las probabilidades en matemáticas están entre 0 y 1), enseguida se convierte en infinitesimal. De esto deduce que obviamente no puede existir, y lo mismo sucede con las demás personas, animales y cosas.

El genio satírico de Lem está mostrando una falacia lógica en acción. Aunque calculemos una probabilidad muy pequeña para algo, una vez ese evento ya ha sucedido la probabilidad calculada no importa. La probabilidad de algo que ya ha sucedido siempre es 1 (el 100%) porque no hay alternativa, no puede 'des-suceder'. Preocuparnos a posteriori es como si a alguien que le ha tocado la lotería le quitáramos el premio porque la probabilidad de que le tocara era demasiado baja.

Los críticos del principio antrópico débil, por su parte, utilizan contra este razonamiento un argumento que describió el filósofo John Leslie, y es más o menos el siguiente: si me dispara un pelotón de fusilamiento y todos fallan, yo sé que la probabilidad de que sucediera así es pequeña. Aunque haya sobrevivido, y ciertamente me alegre por ello, quiero saber por qué los que soldados fallaron. Tiene que haber una explicación.

Por supuesto, hay dos tipos de explicaciones. Los partidarios del principio antrópico débil simplemente dirían que si el pelotón de fusilamiento realiza muchas ejecuciones cada día, al haber un margen de error en los disparos de cada soldado, según la ley de los grandes números algún prisionero saldrá ileso de tanto en tanto, cuando coincida que todos los soldados fallen a la vez. El prisionero que se hace la pregunta ha tenido suerte, ha sido una casualidad, pero no es necesaria más explicación. Aplicando esto al universo, diríamos que nos ha tocado en suerte uno entre los muchos posibles universos (paralelos o en secuencia) en los que había condiciones favorables a la vida. Si no hubiéramos tenido esa suerte, no estaríamos aquí haciéndonos la pregunta, al igual que los prisioneros muertos por el pelotón.

Por otra parte, un partidario del principio antrópico fuerte diría que hay una explicación más obvia y más sencilla: no es una cuestión de suerte, existe un propósito tras lo que ha sucedido. Por alguna razón desconocida, todos los soldados se pusieron de acuerdo en perdonar la vida al condenado, no ha sido una casualidad. O bien había un plan premeditado (explicación religiosa) o una simpatía especial que el prisionero transmitió a los soldados e hizo que fallaran (explicación del universo participativo).

Cada uno puede escoger la explicación que más le guste  :-)

Hasta la próxima,

    Salvador

Inflando globos cósmicos

Universo inflacionario para principiantes

 Hace pocos días se anunció la confirmación experimental, por parte del telescopio de microondas BICEP2 localizado en el Polo Sur, de una predicción clave del modelo inflacionario del Big Bang, demostrando una vez más que la física es capaz de predecir y de confirmarse mediante fenómenos nunca antes observados.

Aquí tenéis la conferencia de prensa completa del anuncio.

Otros ejemplos clásicos de nuevos fenómenos que sirvieron para confirmar teorías revolucionarias fueron la desviación de la luz de las estrellas -Teoría de la Relatividad-, el fondo de radiación de microondas en el universo -Teoría del Big Bang- y la aparición del bosón de Higgs -Teorías de Gran Unificación-.

En esta entrada intentaré explicar el significado y la importancia de las teorías inflacionarias del universo, así como algunas interesante posibilidades que abren respecto a la existencia de múltiples universos. Seguiré un guión similar al de este genial mini-comic:

La teoría del Big Bang

A partir de las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein se vio que eran posibles varios modelos cosmológicos para explicar la evolución del espacio-tiempo a gran escala. La siguiente gráfica resume las opciones (muestran en el eje vertical el tamaño del universo respecto al tiempo en el eje horizontal):

Algunas teorías (como la el propio Einstein) proponían un universo estacionario que no cambiaba de tamaño, mientras que otras pensaban en un universo de expansión acelerada (De Sitter), o de ciclos de expansión y contracción.

Sin embargo las observaciones del movimiento de las galaxias y quásares (núcleos activos de galaxias muy lejanas) permitió comprobar que el universo se había estado expandiendo al menos desde la formación de las galaxias.

Aunque hubo otras teorías rivales para explicar la expansión, como la Teoría del Estado Estacionario de Fred Hoyle (que suponía que la apariencia del universo siempre ha sido la misma en cualquier tamaño), el descubrimiento accidental del Fondo de Radiación de Microondas en 1965 permitió comprobar una de las predicciones de la Teoría de la Gran Explosión (Big Bang) como explicación de la expansión.

La siguiente fotografía muestra a Penzias y Wilson junto a la antena de microondas que captó el fondo de radiación (al principio pensaron que el 'ruido' estaba causado por unas palomas que habían anidado en el acogedor hueco de la antena):

Según la teoría del Big Bang, toda la materia y energía del universo habría estado concentrada inicialmente en un espacio infinitesimal, con una enorme densidad y temperatura, de donde las diferentes formas de materia, fuerzas y estructuras como átomos, galaxias, estrellas y planetas habían evolucionado al ir reduciéndose la temperatura con la expansión.

La expansión del universo es una expansión del espacio-tiempo mismo (al menos en las 4 dimensiones que conocemos), y por tanto muy diferente a las explosiones que experimentamos en nuestra vida cotidiana. Por ello se suele comparar con la expansión de la superficie de un globo (el espacio-tiempo) en el cual se encuentra la materia y energía del universo conocido.

El fondo de radiación de microondas, que se observa mirando en cualquier dirección desde la Tierra, es un residuo del momento en que la temperatura descendió lo suficiente como para que los electrones se pusieran a orbitar los núcleos y se formaran átomos (proceso de recombinación), permitiendo a la luz viajar libremente por el espacio. Esta luz, producida 300.000 años después del inicio de la expansión, tendría ahora según los cálculos de la teoría una temperatura de 3 grados Kelvin, que fue exactamente la observada. Se probó así que la imagen evolutiva del Big Bang era la correcta.

Los cabos sueltos del Big Bang

Sin embargo, la teoría original del Big Bang era insuficiente para explicar algunas características observables del universo. Por un lado la densidad y temperatura de todo el espacio observable es increíblemente homogénea, lo cual tenía una difícil justificación, mientras que por otra parte existen estructuras a gran escala que no podrían haberse formado si el universo hubiera sido totalmente homogéneo en sus inicios.

La teoría de la inflación fue desarrollada por Alan Guth en 1981 para completar la visión del Big Bang, solucionando estos cabos sueltos y otros como la predicción no observada de monopolos magnéticos.

La paradoja del equilibrio térmico universal

Un primer problema que se planteó al Big Bang fue explicar cómo era posible que todo el universo tuviera una temperatura tan similar (homogeneidad que era ya visible en el fondo de radiación). Al estar el universo en continua expansión, no sería posible que las diferentes zonas del espacio pudieran intercambiar radiación entre sí para compensar sus temperaturas.

Este excelente y sencillo vídeo del programa Redes lo explica muy claro:

Las arrugas del espacio-tiempo

A pesar de la gran homogeneidad de temperatura, al observar el universo a grandes distancias vemos que su estructura es irregular, la materia no se distribuye de forma uniforme, sino que forma algo parecido a un fractal. Las galaxias se agrupan en grandes cúmulos y megacúmulos que forman como una red o estructura esponjosa en la que las áreas rellenas se entremezclan con grandes espacios casi vacíos.

Esta estructura ha sido confirmada por los datos de mediciones reales, como se observa en estas imágenes y vídeo:

Para saber cómo se pudieron haber formado estas estructuras se han realizado simulaciones masivas, como la Simulación del Milenio con 10 billones de partículas. Estas simulaciones han concluido que para que se pudieran formar esta red de filamentos era necesario que en el universo inicial hubiera fluctuaciones de densidad y temperatura, tales como las que son visibles en el fondo de radiación de microondas.

Los siguientes vídeos se han realizado con los datos de las simulaciones:

El problema para la Teoría del Big Bang era que no proponía ningún mecanismo capaz de generar estas fluctuaciones. Si el universo se había expandido de manera suave y continua, ¿qué había producido las diferencias de densidad y temperatura entre unas zonas y otras?

Veremos que la teoría de la inflación propone un mecanismo que explicaría la estructura a gran escala del universo. Un buen libro para comprender el problema y la solución es éste:

¿Por qué se expande el universo? ¿De dónde salió?

Además de los problemas 'técnicos' de la teoría original del Big Bang, estaba claro que era una explicación incompleta desde el momento en que no proporcionaba un mecanismo que diera el impulso que necesitaba la expansión del universo.

Tampoco la teoría clásica del Big Bang decía nada sobre cómo pudo llegarse a ese estado inicial en el que toda la materia y energía, y nuestro espacio-tiempo, estaban concentrados en un tamaño tan pequeño.

La solución de la inflación

El modelo inflacionario del universo temprano se basa en la idea de que hubo una expansión rapidísima durante un período muy corto en su comienzo. De ahí el nombre 'inflación': el universo se infló a una velocidad vertiginosa, exponencial, pasando de tener el tamaño de un protón al de un balón en una pequeñísima fracción de segundo.

Podéis encontrar una muy buena explicación en su contexto histórico en este artículo de John Gribbin, y otras explicaciones más técnicas en esta página y ésta otra, ambas de CalTech.

Para entender la inflación debemos recordar que a medida que nos acercamos al instante inicial de la expansión, tenemos una mayor densidad de energía, o equivalentemente, una mayor temperatura. Al aumentar la energía las fuerzas de la naturaleza se van unificando progresivamente, hasta que al llegar a un tiempo de 10 elevado a -43 (un segundo dividido por la potencia 43 de 10), infinitesimalmente pequeño, todas las fuerzas incluida la gravedad y todas las formas de materia estarían unificadas en un caos cuántico indiferenciado. Este tiempo se llama tiempo de Planck y no podemos decir nada con sentido para momentos anteriores, pues el principio de incertidumbre cuántico impide que el espacio-tiempo pueda tener una estructura más pequeña.

La inflación sucedería a partir de este estado primigenio indiferenciado, dominado por las fluctuaciones cuánticas de un vacío con una increíble densidad de energía, las mismas fluctuaciones que gracias a la indeterminación de Heisenberg permiten la aparición y destrucción continua de partículas, como vimos al hablar del origen de las fuerzas.

¿Pero cómo y por qué se produjo esa rapidísima expansión? Quizás la forma más sencilla de entenderlo sea aplicar el concepto de cambio de fase o cambio de estado de la materia al propio vacío cuántico del espacio-tiempo. 

Pensemos en la congelación del agua para formar hielo. El enfriarse el agua hasta los cero grados, las moléculas se mueven más lentamente y ello permite que actúen las fuerzas de enlace de hidrógeno entre ellas, creando una estructura cristalina donde antes había solamente una masa desorganizada. El cambio de estructura de la materia distribuye las moléculas en un espacio ligeramente mayor, lo que hace que el hielo se expanda (como comprobamos cuando dejamos una botella llena en el congelador, ay).

¿Qué sucedería si enfriáramos el agua por debajo de cero grados pero no permitiéramos su expansión? En ese caso el agua estaría en un estado metaestable, sin poder solidificarse (al no disponer de espacio para la nueva estructura), produciendo de forma continua una presión para expandirse, y pasando al estado estable sólido en cuando dispusiera del espacio necesario.

La teoría de la inflación supone que el vacío del espacio pasó por un cambio de fase similar debido al enfriamiento local en un punto de un espacio-tiempo más amplio, posiblemente causada por una fluctuación aleatoria en el caos cuántico primordial.

Al producirse este enfriamiento puntual en una pequeña región del 'megauniverso', una propiedad del vacío sufrió un cambio, una diferenciación, una reestructuración que creó una presión para expandirse, al igual que el agua enfriada.

Esta presión hizo que la pequeña región de espacio-tiempo se expandiera rápidamente como una burbuja, dando lugar a nuestro universo y creando el impulso que provocó la 'explosión' conocida como Big Bang. La inflación en sí solamente duró un corto instante, hasta que el estado metaestable conocido como 'falso vacío' se expandió lo suficiente para consolidarse en un estado estable, el 'verdadero vacío' que conocemos actualmente.

¿Pero qué era esta propiedad del vacío original que produjo la presión inflacionaria? Los físicos hablan de un campo escalar, una forma de decir que se trata de una propiedad que no tenía dirección (por tanto, no es una de las fuerzas conocidas). Se trata de algo que rellenaba el espacio-tiempo y que cambió con la temperatura. Inicialmente Alan Guth propuso que fuera el campo de Higgs (sí, el mismo del bosón de Higgs recientemente descubierto), ya que se trataba del primer campo escalar del que se tenía constancia, al menos teórica. Sin embargo esta posibilidad parece no coincidir con algunas propiedades de la inflación. Por eso hoy en día sólo se habla de un campo escalar cuya partícula mediadora sería el inflatón, pero del cuál realmente se desconoce su naturaleza (más sobre esto después).

Lo que sabemos es que esta propiedad que llena el espacio-tiempo sufrió una transición produciendo una presión expansiva desde que pasó de un estado a otro por el enfriamiento. En unas versiones de la teoría esta transición se produce desde un estado metaestable a otro estable, por efecto túnel. En otras versiones se produce durante una evolución suave de un estado a otro.

¿Cómo resuelve la inflación los cabos sueltos en la teoría del Big Bang?

• Inicialmente, la diminuta región que se expandió estaba ya en equilibrio térmico, pues era suficientemente pequeña para homogeneizarse aproximadamente a la misma temperatura. Al expandirse rápidamente el espacio-tiempo se conservó esta homogeneidad.

• Por otra parte, las fluctuaciones cuánticas ('ondas' de diferente densidad y temperatura) que existían en el vacío primordial también se expandieron, tan rápido que no tuvieron tiempo de disgregarse, creando en la burbuja universal zonas más densas y otras más vacías, lo que provocó que las nubes de gas se condensaran más tarde en ciertas áreas para formar cúmulos y galaxias. Los cálculos realizados explican de manera cuantitativa las estructuras a gran escala observadas en el universo. 

Este vídeo explica cómo la inflacción soluciona el problema de la homogeneidad térmica y la estructura del universo:

• Como hemos visto, la inflación también explica por qué el universo 'explotó' en forma de Big Bang: la enorme presión expansiva creada por el cambio de fase del vacío le hizo reventar como una burbuja, como una botella llena de agua congelada.

Una paradoja de la inflación es que durante esa fase el universo se expandió más rápido que la velocidad de la luz. Aunque este hecho parece contradecir el límite impuesto por la teoría de la relatividad, en realidad no lo hace. El límite de la velocidad de la luz se aplica a los movimientos de un lugar a otro del espacio-tiempo de nuestro universo, pero no se aplica a la expansión del espacio-tiempo mismo. Sea lo que sea que incluye en su seno a nuestro universo, permitió que éste se expandiera a esa velocidad alucinante.

La prueba de la inflación: los resultados del BICEP2

Volvemos así al descubrimiento que justificaba esta entrada: el anuncio de la detección de ondas gravitacionales asociadas a la inflacción. Estas ondas no son más que otro producto de las fluctuaciones cuánticas, sometidas a la rápida expansión de la inflación, y que determinaron la estructura visible en el fondo de radiación de microondas (CMB en la figura siguiente).

La predicción del modelo inflacionario es que estas ondas afectarían al estado de polarización de la luz del fondo de microondas (la polarización es la dirección de vibración de las ondas que componen la luz). El telescopio de microondas BICEP2 comprobó que la magnitud y el tipo de polarización del fondo de microondas se correspondía con lo previsto por la versión inflacionaria de la teoría del Big Bang.

¿Estamos solos en el multiverso?

Cuando se desarrollaron versiones satisfactorias del escenario inflaccionario, inmediatamente se extrajeron dos consecuencias importantes:

• Primero, el universo como tal podría haber nacido debido a una mera fluctuación al azar del estado primordial (no 'de la nada', sino de un vacío preexistente, que es algo diferente). Por tanto no se necesitaba un estado o condición especial para su creación. 

Existe una gran discusión actualmente sobre en qué medida es posible que el universo haya surgido por una fluctuación, o se requieren otras entidades preexistentes, como las membranas multidimensionales de la teoría de cuerdas, pero lo cierto es que sea cual sea el mecanismo, no se trata de algo que solo pueda existir una vez, y eso nos lleva a la segunda consecuencia:

•  El proceso inflacionario de creación de una burbuja puede haberse repetido infinidad de veces en diferentes lugares del vacío primordial multidimensional. Por tanto, resulta lógico pensar en la existencia de múltiples burbujas, que podrían solaparse o no. Este concepto de multiverso (se corresponde con los tipos I y II en la clasificación de Tegmark) es diferente al de universos alternativos (tipo III). Los diferentes universos podrían tener incluso diferentes leyes físicas, en la medida en que los cambios de fase que suceden durante el enfriamiento de las burbujas tuviera resultados diferentes.

El Dr Michio Kaku es uno de los que ha estudiado y divulgado con más énfasis esta posibilidad, como se ve en los siguientes videos y en su libro "Mundos paralelos".

La extraña naturaleza de la nada

Nuestro desconocimiento sobre la naturaleza del campo escalar, esa misteriosa propiedad del vacío cuyo cambio de fase creó la inflación cósmica, es otra pista más de que lo que consideramos 'vacío' y la estructura misma del espacio-tiempo están aún lejos de ser conocidos.

El campo del 'inflatón' se une así a otros misterios sobre el vacío, que cada vez parece serlo menos. Como vemos en la siguiente figura, solamente conocemos realmente un mero 5% de la composición del universo. La materia oscura que rodea las galaxias (un 25% de la masa del universo), y que parece un residuo de la materia primordial del Big Bang, está formada por un tipo de partículas que no interactúa con las demás salvo con la fuerza de la gravedad. 

Por otro lado, la inmensa mayoría de la masa-energía del universo estaría formada por la llamada energía oscura, un campo escalar que ejerce un efecto repulsivo, acelerando la expansión del universo. Podría ser, por tanto, un residuo o resultado del cambio de fase del campo inflatón que creó la burbuja.

Lo cierto es que el contenido y naturaleza del espacio-tiempo son más misteriosos que nunca. Lejos quedaron los tiempos en que se pensaba que el vacío era tan solo una ausencia, una nada sin contenido. 

Afortunadamente para los que nos gustan los misterios cósmicos y para los físicos, cada respuesta abre otras preguntas más profundas. Por el momento parece necesario afianzar una teoría que unifique la relatividad y la gravedad con la mecánica cuántica para seguir avanzando. Y para ello habrá que buscar nuevas formas de experimentar y comprobar las predicciones de estas teorías (supersimetría, teoría de cuerdas, teoría del todo...).

Hasta el próximo misterio,

    Salvador