El último artículo de Hawking a la Naukas (I) – INFLACIÓN

artículo

Estoy seguro que habéis escuchado por ahí que Hawking dejó un último artículo que fue publicado poco después de su fallecimiento. También estoy seguro de que habréis leído sobre lo que habla ese artículo. Tal vez hayáis leído que va sobre que el universo va a terminar, o que ha demostrado el multiverso, o que nuestro universo no es fractal… Tal vez.

En esta entrada, que no se espera que sea fácil de leer ni corta (aviso), vamos a desmenuzar de qué va este último artículo de Stephen Hawking. Solo eso.

El artículo de Hawking junto a Hertog lo podéis leer aquí:

A smooth exit from eternal inflation?

¿Qué necesitamos saber?

Para poder afrontar la lectura de esta entrada a lo mejor conviene que nos hagamos un mapa para saber desde dónde salimos y hasta dónde llegamos.

Los puntos importantes, considera que esto es como un camino jacobeo pero de la cosmología cuántica y que tienes que ir obteniendo los sellos en las diferentes postas del camino, son los siguientes:

  1. ¿Qué es la inflación?
  2. ¿Qué es la inflación eterna?
  3. ¿Por qué la inflación eterna nos lleva a la idea de multiverso?
  4. ¿Qué entendemos en este contexto por multiverso?
  5. ¿Qué es la propuesta de ausencia de contorno/frontera?
  6. ¿Cómo se relaciona esta propuesta con la teoría de la inflación cosmológica?
  7. ¿Qué es la holografía?
  8. ¿Cómo afecta a la propuesta de ausencia de contorno/frontera la hipótesis holográfica?
  9. ¿Qué dice, finalmente, el artículo de marras?

Si conseguimos obtener una idea más o menos aceptable de todas estas preguntas podremos confiar en que hemos entendido, al menos en esencia, el tan aclamado último artículo de Hawking.

Inflación cosmológica

Todas las observaciones cosmológicas realizadas en las últimas décadas apuntan a que nuestro universo sufrió un proceso de expansión brutal antes de llenarse de partículas, radiación y esas cosas. A este proceso se le denomina — inflación cosmológica.

Este proceso nos ayuda a entender por qué nuestro universo parece que es tan plano, lo cual es sorprendente. Y nos ayuda a resolver el problema que plantea el hecho de que nuestro universo parezca tan homogéneo e isótropo cuando lo consideramos globalmente.

Para que nos hagamos una idea, si nuestro universo empezó en eso que se llama Big Bang y la expansión ha ido a un ritmo parecido al actual (aunque ahora sabemos que el universo está acelerando su expansión) no podemos explicar el hecho de que el universo parezca tan homogéneo. Si nos fijamos en la radiación cósmica de fondo, esa radiación que emerge cuando el universo tenía 380.000 años (aprox.) de edad y que se propaga libremente por el universo desde entonces, no es posible explicar solo con la teoría cosmológica estándar que esa radiación esté toda a una temperatura promedio que es igual (salvo fluctuaciones de entre 1 parte en 10000 a 1 parte en 1000000) en todos los puntos. Esa temperatura, en la actualidad, es de 2.72 Kelvin, 2.72 grados por encima del cero absoluto.

Haber encontrado observacionalmente esta radiación cósmica de fondo y a esa temperatura es uno de los triunfos de la teoría cosmológica. La teoría que llamamos del Big Bang predice exactamente que esa radiación tiene que estar ahí y con esa temperatura. El problema es que no parece que haya forma de explicar porqué puntos muy alejados del cielo (que son puntos que no han podido intercambiar información ya que la luz no ha podido ir de uno a otro en lo que llevamos de vida del universo) estén a la misma temperatura promedio. Eso nos lleva a pensar que el universo empezó en un estado muy especial. Parece que casi diseñado para que eso fuese así. Sin embargo, este tipo de ajustes finos son poco del agrado de la física. Es mucho mejor encontrar un mecanismo que haga que de manera natural observemos lo que observamos.

Pongamos un ejemplo para entender esto.

Imagina que entramos a una fiesta y vemos que todos los participantes van vestidos con trajes o vestidos verdes:

verde1

Es casi seguro que pensemos que eso no puede ser una casualidad. Lo más lógico es asumir que todos han interactuado de alguna forma en el pasado y se han dicho los unos a los otros que irían de vestidos de verde a la fiesta en cuestión.

Lo que sabemos es que la información no se puede propagar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Usualmente, si dibujamos un diagrama de espacio y tiempo las cosas que se mueven a la velocidad de la luz en el vacío las representamos como líneas a 45º en dichos diagramas. Eso define el concepto de cono de luz y la relatividad exige que todo lo que se mueva a menor velocidad que la velocidad de la luz en el vacío lo haga describiendo curvas dentro de los conos de luz. Por tanto, si tomamos dos invitados a la fiesta, sus conos de luz se han tenido que cruzar en el pasado para que haya sido posible que se transmitan información de algún modo.

verde2

El hecho de que los conos de luz se crucen significa que han podido intercambiar información en el pasado y por lo tanto tiene sentido que ambos hayan acordado previamente ir vestidos de verde. Lo mismo pasaría con cualquier par de invitados que elijamos.

Ahora, veamos qué pasa con el universo y la temperatura de la radiación cósmica de fondo.

Cuando miramos al cielo con ojos (telescopios) que pueden ver microondas lo que encontramos es la radiación cósmica de fondo (cuando eliminamos todas las fuentes astrofísicas de tales ondas). Según la teoría estándar de la cosmología la energía de la radiación emitida cuando el universo tenía aproximadamente 380.000 años tiene que estar en ese rango del espectro electromagnético. Esa radiación tiene aproximadamente una temperatura asociada (que es una medida de su energía) de unos 2.72 Kelvin con fluctuaciones hacia arriba y a hacia abajo de 1/10.000 a 1/100.000. Lo que encontramos es justamente eso:

ESA -- Misión Planck (https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_reveals_an_almost_perfect_Universe)
ESA — Misión Planck (https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_reveals_an_almost_perfect_Universe)

El problema es que según la teoría estándar, tomando en consideración el ritmo de expansión que ha tenido el universo desde su origen como el establecido por la teoría del Big Bang, no hay ningún motivo físico por el que dos puntos diametralmente alejados en el cielo tengan la misma temperatura. Para que tengan la misma temperatura ha tenido que dar tiempo a que esos puntos intercambien energía hasta llegar a igualar sus temperaturas.

Si disponemos en un diagrama espacio-tiempo la evolución del universo y marcamos los puntos en el tiempo en el que se produjo el origen y en el que se produjo la liberación de la radiación cósmica de fondo vemos que no ha dado tiempo a que esos puntos se pongan en contacto. Dicho de otro modo, los conos de luz pasados de los puntos alejados en el cielo no han tenido tiempo de cruzarse en la teoría estándar.

cbr

La inflación soluciona este problema porque si la tenemos en consideración el espacio sufrió una expansión monstruosa en un breve intervalo de tiempo. El efecto en el diagrama anterior estriba en que en realidad, en el pasado todo estaba más junto y se separó de forma que hoy día, teniendo en cuenta el ritmo de expansión actual, nos parece que no han tenido tiempo a igualar sus temperaturas.

Por lo tanto, lo que nosotros vemos hoy en realidad era una porción muy pequeña de universo que se ha estirado muchísimo:

cbr1

NOTA PARA EXPERTOS: Este diagrama en realidad tendríamos que expresarlo en tiempo conforme y el efecto de la inflación se vería en que el origen del universo se desplaza hasta menos infinito en dicho tiempo con lo que cada punto de nuestro universo observable ha tenido más que tiempo para estar en contacto causal con cualquier otro punto que observamos y de ahí que esté en equilibrio térmico.

Inflación eterna

¿Cómo se produce la inflación? Generalmente, en física, para que algo ocurra hemos de encontrar el agente responsable para que se pueda dar tal o cual hecho. Para la inflación se propone que inicialmente en el universo había un campo cuántico, denominado inflatón. Este inflatón tiene la propiedad de que si su energía está por encima de un determinado umbral general, al considerarlo junto a la gravedad, genera repulsión gravitatoria. Es decir, el inflatón inyecta en el espacio una energía que tiene la propiedad de hacer que la expansión del espacio sea exponencial (rapidísima en términos llanos).

Aún no sabemos qué es ese inflatón o cómo es su energía. Sin embargo, gracias a las observaciones cosmológicas, cada vez vamos perfilando mejor sus detalles. El caso es que las observaciones cosmológicas parecen indicar que el tipo de inflatón que existía en nuestro universo al principio es de los que generan lo que se conoce como inflación eterna.

¿A qué hace referencia eso? Bueno, supongamos que tenemos un inflatón que genera este tipo de inflación. Lo que suponemos es que nuestro universo al comenzar estaba lleno de ese inflatón y por lo tanto se expande de una forma exponencial (rapidísima).

inf1

Este inflatón está en un estado energético desfavorable o inestable. Eso quiere decir que tiende a ir a valores más bajos de su energía para estabilizarse. Resulta que cuando pasa del estado desfavorable al favorable, de mayor a menor energía del inflatón, la inflación se detiene. Pero este proceso no se produce en todo el universo a la vez, se produce aquí o allí, mientras que el resto de universo sigue expandiéndose exponencialmente. Supongamos que en una región de este universo se produce la transición del estado desfavorable del inflatón al favorable:

inf2

Claro, nos podemos preguntar en qué se invierte el exceso de energía del inflatón en esa región donde ha pasado de una energía alta a una más baja y más estable. La respuesta es impresionante. Esa energía es la que da lugar a las partículas que llenan ese hueco, genera la materia y las interacciones. Por lo tanto, esa región es virtualmente un universo con su contenido en materia e interacciones. Eso es lo que se conoce como universo de bolsillo. La expansión en ese universo de bolsillo es más lenta que en el resto del universo que lo contiene, la parte gris se sigue expandiendo de forma inflacionaria.

Oh, pero puede que este proceso se de en otros lugares y que al frenar la inflación en distintas zonas se creen universos de bolsillos con diferentes contenido en partículas e interacciones. Es decir, que la física en esos otros universos de bolsillo pueden ser muy diferentes a la del primero y diferentes entre sí.

inf3

Claro está, como la parte gris se sigue expandiendo cada vez hay más lugare para que este proceso tenga lugar. Por tanto, la inflación no para nunca y la generación de universos de bolsillo tampoco se detiene. Así que en estos modelos cuando la inflación hace ¡pop! ya no hay stop. Por eso se denomina inflación eterna. Evidentemente la separación entre universos de bolsillo aumente mucho entre ellos ya que están en un ambiente que se expande de forma inflacionaria.

Inflación eterna y multiverso

¿Qué sería el multiverso? El multiverso es lo que nosotros hemos llamado universo (la parte gris de los dibujos). Eso que nosotros llamamos universo no sería más que uno de esos universos de bolsillo. Es decir, que el universo sería todo el conjunto aunque nosotros llamamos universo a uno de esos sitios donde la inflación se ha frenado localmente.

El problema es que si observamos el multiverso tal y como lo hemos definido generado por la inflación eterna tiene una estructura complicada en muchos sentidos. Habría una infinidad de universos bolsillos, cada uno con un contenido de partículas e interacciones independientes de los demás. Eso quiere decir que la física en esos universos sería muy distinta de unos a otros. Unos solo tendrían radiación, otros estarían llenos de materia, otros tendrían más dimensiones, otros tendrían más o menos interacciones, unos serían tan densos que colapsarían enseguida, otros se expandirán más rápido o más lento que el nuestro, etc. En definitiva sería una estructura altamente complicada.

Lo peor es que dado que se puede producir cualquier universo de bolsillo con cualquier configuración de la física en su interior el modelo parece que pierde totalmente la capacidad de predecir nada. No es evidente cómo se puede calcular la probabilidad de que uno de esos universos sea como vemos que es el nuestro. Así que podemos decir que el modelo es complicado e inútil a la hora de predecir cosas observacionales.

Bueno, en realidad no. Nosotros hemos dicho que el inflatón pasa de su estado desfavorable de energía (el estado que implica una expansión inflacionaria) a un estado favorable de energía (con una expansión más suave) en una determinada región del (multi)universo. Pero si atendemos a la cuántica esta nos dice que ese paso no es igual en todos los puntos de la región donde se produce. En unos puntos, de ese universo de bolsillo que estemos considerando, la inflación se frena un poco antes y en otros un poco después. Eso se traduce en que en unos puntos habrá más densidad de partículas y en otros menos. Cuando el universo de bolsillo se expande y se enfría eso se traduce en que habrá unas regiones más energéticas y otras regiones menos energéticas. En definitiva, que si eso se observa en un tiempo muy posterior al frenado de la inflación, lo que observaremos es una distribución de densidades que al principio variaban poco de unos puntos a otros pero que luego se fueron diferenciando. Eso es lo que vemos justamente en la radiación cósmica de fondo y esas variaciones de energía de unas regiones pequeñas a otras dentro de un universo de bolsillo es lo que da lugar a la estructura a gran escala del universo.

granescala

Además, estos modelos predicen que en el paso de la situación desfavorable del inflatón a la favorable se generan ondas gravitacionales que han tenido que dejar una huella observable en la radiación cósmica de fondo. Aún se está trabajando para detectar tales huellas de los primero instantes de vida de nuestro universo de bolsillo.

No te pierdas la próxima entrada sobre dualidades y holografía.

Nos seguimos leyendo…


10 Comentarios

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AntonioAntonio

Enhorabuena. Con lo complicado que es el tema, qué claro lo habéis explicado. Segunda parte ya!!, por favor!!

pvlpvl

Enhorabuena. Se agradecen art. de divulgación como éste que sean comprensibles para aficionados profanos a estos temas, como un servidor.

pvlpvl

Un par de preguntas:
1º Utilizando el ejemplo de la fiesta de gente vestida de verde ¿no cabe la posibilidad altrenativa de que en la época remota en la que se desarrolló la “fiesta”, el único pigmento textil disponible fuera precisamente el verde, lo que daría como resultado esa homogeneidad monocolor sin necesidad de acuerdo previo?.
Es decir, ¿no cabe la posibilidad de que el “ingrediente” disponible en ese universo primitivo tras el bigbang fuera tan simple que diera lugar a esa homogeneidad?
2º ¿Como ha evolucionado en el tiempo esa propiedad de “homogeneidad” global del universo y como se mide si tenemos en cuenta que “mirar más lejos en el espacio” equivale a “mirar más atrás en el tiempo”?

Cuentos Cuánticos

1º Cabe la posibilidad, pero:

a) Si la generación de pigmentos es aleatoria no tiene sentido que todos vayan de verde.
b) Entonces tendríamos que explicar por qué solo existía el verde inicialmente. Eso lo podemos explicar por ajuste fino, diciendo que las condiciones eran simplemente así y eso está feo porque es una solución muy “teológica”. O bien, tenemos que encontrar un mecanismo físico que nos diga que solo existía inicialmente el verde.
Justo es la segunda opción la que encontramos, al referirnos al universo, con el mecanismo de la inflación tal y como hemos intentado explicar.
2º Pues lo que vemos es justamente eso, que ahora vemos muchas inhomogeneidades y antes todo era mucho más homogéneo. Eso es lo que predicen los modelos, es lo que encontramos en las simulaciones proporcionadas las condiciones iniciales y las leyes de evolución y es lo que observamos.

OscarOscar

Entrada estupenda. Muchas gracias. Unas:
-¿ Porqué decimos que el universo es plano, no debería ser una esfera asumiendo expansión igual desde un punto central.
-Asumiendo lo anterior : si estamos en un punto de esa esfera al mirar hacia “el centro” nuestra visión seria en forma “cónica” no?).
– A que te refieres con información?, la Transmisión de temperatura se considera información?.
Mil gracias.

Cuentos Cuánticos

Se dice que el universo es plano porque todo indica a que en este universo las paralelas siempre son paralelas y los ángulos de un triángulo siempre suman 180º. De eso estamos seguros hasta en una parte en 1000000.

Recuerda que la expansión se da en todos los puntos, no hay un punto central.

Evidentemente, desde nuestra posición todo se aleja de nosotros pero eso pasaría en todas las posiciones. Y sí, desde nuestra posición nuestra visión sustiende un cono, pero eso también pasa cuando miramos a nuestro alrededor. El caso es que durante la vida del universo las distancias entre todos los puntos han ido variando a causa de la expansión.

La transmisión de temperatura no es más que el intercambio de energía, básicamente y hablando mal que todo esté prácticamente a la misma temperatura en el fondo cósmico significa que hubo un mecanismo de intercambio de energía que hizo que todos los puntos tuvieran la misma energía promedio. Por información podemos entender cualquier proceso físico que modifique las condiciones de alguna región debido a las condiciones de alguna otra. Para que eso se produzca se ha de intercambiar partículas o radiación y a eso lo llamamos transmitir información.

fisivifisivi

Está tan bien descrito que me quedo con la sensación de haberlo entendido. Pero sé que el tema es mucho más complejo de lo que puede entender una persona con tan escasa formación como yo.

Desde el atrevimiento que da la ignorancia:
¿Podría ser que la velocidad de la luz en el Universo, el que contiene los universos de bolsillo (UBs) fuera mucho mayor que la de la luz del UB en que estamos, y que por eso hubiera dado tiempo a igualar la temperatura de la radiación de fondo cuando se creó nuestro UB?.

Cuentos Cuánticos

La radiación cósmica de fondo es algo que se produce en nuestro universo de bolsillo así que la velocidad de la luz es la de nuestro universo de bolsillo propiamente hablando.

¿Puede ser la velocidad de la luz en el (multi)universo diferente a la velocidad de la luz en el nuestro? Pues eso depende, pero por ahora no sabría que decirte. Lo miraré y lo pensaré y si tengo algo que aportar vengo y te lo cuento.

RawandiRawandi

Un artículo muy bueno. Solo discrepo en el uso de la expresión “ajuste fino” como si fuera equivalente a “mecanismo no natural”. En realidad, la expresión “ajuste fino” indica meramente la necesidad imperiosa de una explicación, pero no presupone que dicha explicación no pueda ser natural. Por ejemplo, en los seres vivos hay un evidente ajuste fino (el asombroso encaje entre sus partes corporales) que fue satisfactoriamente explicado por Darwin en el siglo XIX mediante su teoría de la selección natural.

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