[Este artículo es un recorrido por las distintas teorías acerca del Big Bang, y requiere un cierta comprensión previa de dichas teorías].

Hay problemas con el inicio de los tiempos: la teoría de la inflación cósmica está fuera de control. ¿Podrá la teoría cuántica y la de hologramas domesticarla?

La voz de Max Tegmark se anima cuando habla acerca de las ideas que sustentan nuestra historia de los orígenes del universo. La teoría de la inflación cósmica declara que en la primera fracción de segundo después del Big Bang, el tejido del universo se expandió más rápido que la luz. Sin un truco como ese, tendríamos dificultades para cuadrar algunas de las características fundamentales del cosmos de hoy, junto con un universo que comenzó siendo una sopa  densa y caliente y que ha ido creciendo y enfriándose desde entonces.

Sin embargo, Tegmark, un cosmólogo del Instituto Tecnológico de Massachusetts, no es la única persona que se pregunta si la inflación seguirá aguantando las acometidas. Pese a todos sus atractivos, la teoría tiene consecuencias desagradables, tan desagradables que amenazan con socavar toda nuestra comprensión del cosmos. El debate ha vuelto a reabrirse y descansa sobre una cuestión que muchos pensaban que ya se había resuelto: ¿qué clase de explosión fue el big bang?

Cuando se propuso la teoría de la inflación, allá por 1980, por Alan Guth, que entonces era un joven estudiante de posdoctorado en la Universidad Cornell en Ithaca, Nueva York, aquello fue como un regalo del cielo. Los estudios de la radiación de fondo cósmica estaban causando serios dolores de cabeza entre los defensores del Big Bang.

Esta radiación, por sí misma, parece ser una confirmación espectacular de la teoría del Big Bang. A unos 380.000 años después del origen del universo, desde una «singularidad» de una densidad y temperatura inimaginable, el cosmos se había expandido y enfriado lo suficiente para que empezaran a formarse los primeros átomos. Los fotones de la luz salieron de estos átomos y han estado viajando en todas direcciones a través del cosmos desde entonces. Y en nuestro puesto particular, a unos 14 mul millones de años después, lo vemos como una radiación de fondo que baña el cielo a una temperatura casi uniforme de 2,7 grados Kelvin.

Pero tras ese éxito se esconde algunos otros detalles problemáticos. Uno de ellos es que podemos medir el fondo cósmico a 10 millones de años luz de distancia en una o otra dirección, y todavía observamos esa misma agradable uniformidad. Para recorrer una historia sencilla del cosmos en constante expansión hacia atrás, se necesitarían unos 20 mil millones de años para que estos parches del espacio pudieran converger, más de la edad del universo. En un simple universo big-bang, nunca estarían lo suficientemente cerca como para igualar sus temperaturas, y esa la uniformidad es una coincidencia altamente improbable.

Entonces existe una geometría del universo. La información codificada del fondo cósmico muestra un espacio extremadamente «plano»: la geometría euclidiana rige suprema y las líneas paralelas nunca se encuentran. Esta llanura es muy poco probable, dado lo que sabemos acerca de la gravedad y su tendencia a curvar el espacio. Una vez más, un simple Big Bang no puede explicarlo.

La presión inflacionaria

Un big bang inflacionario puede que sí. Al principio de los tiempos, de esta guisa va esta idea, todo lo que existía era un campo cuántico llamado inflatón. Éste se hallaba en un «falso vacío«, un estado, temporalmente estable, aunque no es el estado de energía más bajo de un auténtico vacío. Es como si el inflatón estuviese balanceado sobre una pequeña meseta de una ladera empinada. En condiciones equiparables, podría descansar ahí sin alteraciones, pero en cuanto hubiese agitación se precipitaria hacia el verdadero vacío de abajo.

En la primera fracción de segundo del universo, todas las cosas no estaban equiparadas. Las fluctuaciones cuánticas aleatorias de la energía producían justo el zarandeo que podía colocar el inflatón en su camino. Al caer hacia el verdadero vacío, esto generó una especie de gravedad repulsiva que empujó el espacio hacia su alrededor. Cuanto más caía, más espacio empujaba en un abombamiento hacia afuera a una velocidad mucho mayor que la de la luz.

Esto es físicamente todo el escenario. La relatividad de Einstein prohíbe que loss objetos viajen más rápido que la luz a través del espacio, pero no impone limitaciones sobre lo que el mismo espacio puede hacer. Y cuando el inflatón tocó fondo, toda la energía cinética que adquirió en su apresurado descenso se vertió en el universo, la creación de la materia y la radiación pasó a formar las estrellas, los planetas y, finalmente, a nosotros. Todo esto ocurrió en mucho menos de un abrir y cerrar de ojos: en tan sólo 10 a 33 segundos, el universo observable se agrandó más de 20 órdenes de magnitud su tamaño, desde el diámetro de una milmillonésima de un núcleo atómico a la de un mini-cosmos de una centímetro de diámetro (ver diagrama).

Universos no deseados

De una caída en picado, la inflación resuelve los problemas del Big Bang. Esos parches de espacio no necesitan de un retroceso de 20 mil millones de años para encontrarse y mezclarse: la inflación les dio el escape que necesitaban para asegurarse de que llegaran más rápido y más lejos del cosmos. Y esa absurdamente improbable planitud no es nada de esa clase: la inflación hace que el universo sea tan grande que ninguna región medible debería ser plana, de la misma manera el suelo a sus pies se ve plano, a pesar de que la superficie de la Tierra es curva.

El altruismo de la inflación no se detuvo ahí. Al inflar pequeñas fluctuaciones cuánticas de la densidad del cosmos a proporciones astronómicas, se produjo un patrón de agrupación de cosas dentro de las cada vez más grandes aglomeraciones de materia, como las galaxias que vemos en la actualidad.

«Ese habría sido el punto perfecto de la inflación para ceder, esperar a los aplausos y dejar la etapa de salida», comenta Tegmark. Pero no sucedió así. En vez de eso, la inflación se mantuvo más de previsto, incluso en más cosas que nadie quería.

Esos otros universos

El problema es que la inflación, una vez que se inicia, es casi imposible de detener. Incluso en los pequeños cosmos de pre-inflación, las fluctuaciones cuánticas ya garantizaban que el campo de inflación tenía distintas energías en lugares diferentes, algo así como una montaña que tiene muchas pelotas en precario equilibrio a distintas alturas. De forma que cuando cada una comienza a rodar, se inicia la inflación de una región distinta del espacio, que echa hacia fuera a las otras a velocidades superiores a la de la luz. Debido a que no hay influencia que pueda viajar más rápido que la luz, estos mini-universos se separan completamente unos de otros. A medida que el inflatón continúa su rápido descenso en cada uno de ellos, más y más trozos de espacio comienzan a florecer con existencias independientes: se forma un infinito «multiverso» de universos (ver diagrama).

Esto no es una buena noticia para nuestras esperanzas de iluminación cósmica. En un único universo, una teoría básica de la física podría ofrecer una predicción de cómo podría ser la forma plana del universo, o del valor de la energía oscura, esa misteriosa entidad que parece estar impulsando una expansión acelerada del universo. Los astrónomos podrían salir y probar esta predicción y contrastarla con las observaciones.

Eso no es posible en un multiverso infinito: no hay predicciones concretas, únicamente probabilidades. Todos los valores imaginables de la energía oscura o de cualquier otra cosa existirá un número infinito de veces, entre el infinito número de universos, y cualquier teoría universal de la física que pretenda su validez en todo el multiverso debe reproducir todos esos valores. Esto hace que las probabilidades de observar cualquier valor particular del infinito, lo divide por el infinito: un sinsentido que los matemáticos llaman «indefinido».

Al principio, los cosmólogos esperaban dar sentido a estos infinitos tomando una instantánea finita del multiverso en algún momento determinado, y luego extrapolar las probabilidades relativas de varias observaciones a ese número cada vez mayor de los universos. Einstein frustró este enfoque. Su relatividad significa que no hay un solo reloj pasando los segundos del multiverso, sino un número infinito de formas de obtener una instantánea de ello, dando cada uno un conjunto diferente de probabilidades. Este «problema de medida» destruye la capacidad de la inflación para hacer predicciones sobre cualquier cosa, incluyendo el fondo cósmico, la curvatura del espacio, o cualquier cosa que, en principio, nos haya hecho creer en esta teoría.

«Pensamos que la inflación predice un universo liso y plano,» señala Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton, un pionero de la inflación que se ha convertido en un ruidoso detractor. «En vez de ello, predice cada una de las posibilidades un número infinito de veces. Volvemos al punto de partida». Tegmark está de acuerdo: «La inflación se ha destruido a sí misma. Tiene una lógica autodestructiva.”

Sean Carroll, cosmólogo del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, es más prudente. «La inflación sigue siendo el paradigma dominante», dice. «Pero hemos llegado a estar mucho menos convencidos de su certeza». Y no es sólo por un problema de medida. En el fondo, no sabemos lo que es un campo de inflación, por qué se encuentra en un falso vacío ni de dónde procede su energía. Tener un campo de inflación tan bien posicionado pero tan precariamente encima de esa ladera de montaña, no parece la situación más probable que tengamos la suerte de que nos lo explique. «Si coges un universo de un sombrero, no va a ser precisamente uno que se haya iniciado con la inflación», añade Carroll.

Así que si no es la inflación lo que hizo al universo tal y como lo vemos hoy día, ¿qué fue entonces? ¿Existen otros tipos de predicciones del Big Bang, que encajen con nuestras observaciones, y que no tengan los efectos colaterales no deseados de la inflación?

Quizá. En 2001, Steinhardt fue uno de los primeros en sugerir una alternativa, junto con sus colegas Justin Khoury, Burt Ovrut y Neil Turok. Su idea era revisar de nuevo nuestra interpretación del big bang. y en lugar de encontrarnos con una singularidad en el comienzo absoluto del espacio y del tiempo, tan sólo tenemos un evento reciente dentro de una historia mucho más larga. La inspiración para esta idea surgió de la teoría de cuerdas, un enfoque más amplio para abarcar la teoría de la relatividad general de Einstein, la cual describe mejor el tiempo y el espacio, y puede conjugar muy bien con la mecánica cuántica, que describe mejor todo lo demás.

La teoría de cuerdas propone que las diversas partículas que forman la materia y transmiten las fuerzas son las vibraciones de unas minúsculas cuerdas mecánico-cuánticas, incluyendo una que produce un «gravitón«, una partícula aún no detectada que transmite la gravedad. También predice la existencia de dimensiones extra más allá de las cuatro que observamos, de tiempo y espacio.

Drenaje de branas

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