MODELO COSMOLOGICO DE SUPERCUERDAS-3

Hinchamiento del espacio

La raíz del problema del horizonte es que para conseguir que se acerquen mutuamente dos regiones del universo muy alejadas, hemos de hacer que la película cósmica retroceda hacia el principio de los tiempos. De hecho, hay que retroceder tanto que no hay tiempo suficiente para que alguna influencia física haya viajado de una región a la otra. Por, consiguiente, la dificultad está en que, mientras rebobinamos la película cósmica y nos acercamos al big bang, el universo no se comprime a una velocidad lo suficientemente rápida.

Bueno, ésta es la idea dicha en pocas palabras, pero vale la pena afinar un poco la descripción. El problema del horizonte se plantea a partir del hecho de que, como sucede con una pelota lanzada hacia arriba, el tirón de arrastre de la gravedad hace que la velocidad de expansión del universo se frene. Esto significa que, por ejemplo, para reducir a la mitad la separación existente entre dos lugares del cosmos, hemos de hacer que la película retroceda más de medio camino hacia su comienzo. Así, vemos que para reducir la separación a la mitad, tenemos que reducir el tiempo a más de la mitad del que ha transcurrido desde el big bang. Menos tiempo transcurrido desde el big bang -proporcionalmente- significa que es más difícil que las dos regiones se comuniquen, aunque se acerquen cada vez más.

Es sencillo enunciar ahora la solución de Guth para el problema del horizonte. Guth halló otra solución para las ecuaciones de Einstein en la que el universo en sus primeros momentos pasa por un breve período de expansión enormemente rápida, un período durante el cual «hincha» su tamaño a una velocidad de expansión exponencial inesperada. A diferencia del caso de una pelota que se va frenando después de ser lanzada hacia arriba, esta expansión exponencial se vuelve más rápida a medida que se va produciendo. Cuando pasamos la película cósmica en sentido inverso, la expansión de aceleración rápida se convierte en una contracción con una rápida deceleración. Esto significa que para reducir a la mitad la separación entre dos lugares del cosmos (durante la época exponencial) necesitamos rebobinar la película menos de la mitad -en realidad, mucho menos-. Rebobinar menos la película significa que las dos regiones habrán tenido más tiempo para comunicarse térmicamente y, como en el caso de la sopa caliente y el aire, habrán tenido mucho tiempo para llegar a la misma temperatura.

Gracias al descubrimiento de Guth y a otros perfeccionamientos posteriores realizados por Andrei Linde, actualmente en la Universidad de Stanford, Paul Steinhardt y Andreas Albrecht, que entonces trabajaban en la Universidad de Pensilvania, y muchos otros, el modelo cosmológico estándar quedó renovado con el nombre de modelo cosmológico inflacionario. En este marco, el modelo cosmológico estándar se modifica durante un pequeñísimo intervalo de tiempo -alrededor de entre 10-36 Y 10-34 segundos ATB- en el que el universo experimentó una expansión multiplicándose su tamaño por un factor cuyo valor es al menos 1030, algo colosal comparado con 100, aproximadamente, que es el factor vigente durante el mismo intervalo de tiempo en el modelo estándar. Esto significa que en menos de un abrir y cerrar de ojos, algo así como una billonésima de una billonésima de una billonésima de un segundo ATB, el tamaño del universo aumentó en un porcentaje mayor que el que ha aumentado en los 15 mil millones de años siguientes. Antes de esta expansión, la .materia que se encuentra actualmente repartida en extensas regiones del espacio estuvo reunida en un espacio mucho más pequeño que el que indica el modelo cosmológico estándar, siendo así posible que se estableciera fácilmente una temperatura común. Después, mediante la irrupción repentina de un hinchamiento cosmológico -seguido por la más habitual expansión que indica el modelo cosmológico estándar- estas regiones del espacio pudieron quedar separadas por las grandes distancias que constatamos actualmente. De esta manera, la breve pero profunda modificación del modelo cosmológico estándar, la modificación por hinchamiento, resuelve el problema del horizonte (así como varios otros problemas importantes que no hemos comentado) y ha encontrado una amplia aceptación entre los cosmólogos.

La cosmología y la teoría de las supercuerdas

Queda un pequeño intervalo entre el big bang y el tiempo de Planck, que aún no hemos explicado. Aplicando a ciegas las ecuaciones de la relatividad general a ese pequeño intervalo, los físicos han descubierto que el universo sigue haciéndose cada vez más pequeño, más caliente y más denso, a medida que nos desplazamos hacia el big bang. En el instante cero, cuando el tamaño del universo desaparece, la temperatura y la densidad suben de manera vertiginosa hacia el infinito, dándonos la señal más rotunda de que este modelo teórico del universo, firmemente arraigado en el marco gravitatorio clásico de la relatividad general, se ha derrumbado por completo.

La naturaleza nos dice con mucho énfasis que en tales condiciones debemos fusionar la relatividad general y la mecánica cuántica -dicho de otra manera, que debemos utilizar la teoría de cuerdas-. Actualmente, la investigación que se lleva a cabo sobre las implicaciones que tiene la teoría de cuerdas para la cosmología está en una fase temprana de desarrollo. Los métodos de la teoría de las perturbaciones pueden, en el mejor de los casos, ofrecemos unos conocimientos esqueléticos, ya que los extremos alcanzados por la energía, la temperatura y la densidad requieren un análisis de gran precisión. Aunque la segunda revolución de las supercuerdas ha proporcionado algunas técnicas no relacionadas con la teoría de las perturbaciones, pasará algo de tiempo antes de que se perfeccionen estas técnicas para los tipos de cálculos requeridos en un planteamiento cosmológico. Sin embargo, como explicaremos ahora, durante más o menos la última década, los físicos han dado los primeros pasos hacia el conocimiento de la cosmología basada en la teoría de cuerdas. He aquí lo que han descubierto.

Resulta que existen tres maneras esenciales según las cuales la teoría de cuerdas modifica el modelo cosmológico estándar. En primer lugar, de una manera que la investigación actual continúa clarificando, la teoría de cuerdas implica que el universo tiene lo que se podría considerar un tamaño mínimo posible. Esto tiene profundas consecuencias para nuestro conocimiento del universo en el momento del big bang, cuando la teoría estándar afirma que el tamaño del universo se ha ido comprimiendo llegando hasta el cero. En segundo lugar, la teoría de cuerdas posee una dualidad radio-pequeño/radio-grande (íntimamente relacionada con el hecho de poseer un tamaño mínimo posible del universo) que tiene también un profundo significado cosmológico, como veremos después. Finalmente, la teoría de cuerdas tiene más de cuatro dimensiones espacio-tiempo, y desde un punto de vista cosmológico, debemos hablar de la evolución de todas ellas. Veamos estas cuestiones con más detalle.