EL CAMPO INFLATON

Campos cuánticos

En los días de Newton, la física se interesaba en el movimiento de los objetos que uno puede ver —piedras, proyectiles de artillería, planetas—, y las ecuaciones que él desarrolló reflejaban muy bien este centro de interés. Las leyes de movimiento de Newton son una encarnación matemática de cómo se mueven cuerpos tan tangibles cuando son empujados, atraídos o lanzados al aire. Durante más de un siglo, éste fue un enfoque maravillosamente fructífero. Pero a comienzos del siglo XIX, el científico inglés Michael Faraday inició una trasformación en el pensamiento con el escurridizo pero demostrablemente poderoso concepto de campo.

Tomemos un potente imán de nevera y coloquémoslo dos centímetros por encima de un clip. Sabemos lo que sucede. El clip salta y se pega a la superficie del imán. Esta demostración es tan tópica, tan familiar, que es fácil pasar por alto lo extraña que es. Sin tocar el clip, el imán puede hacer que se mueva. ¿Cómo es posible? ¿Cómo puede ejercerse una influencia en ausencia de cualquier contacto con el clip? Estas y muchas consideraciones relacionadas llevaron a Faraday a postular que aunque el imán no toca al clip, produce algo que sí lo hace. Ese algo es lo que Faraday llamó un campo magnético.

Nosotros no podemos ver los campos producidos por los imanes; no podemos oírlos; ninguno de nuestros sentidos es sensible a ellos. Pero eso simplemente refleja limitaciones fisiológicas. Así como una llama genera calor, también un imán genera un campo magnético. Estando más allá del contorno físico del imán sólido, el campo de un imán es una «niebla» o «esencia» que llena el espacio y da poder al imán.

Los campos magnéticos son sólo un tipo de campo. Las partículas cargadas dan lugar a otro tipo: los campos eléctricos, tales como los responsables de la sacudida que usted recibe a veces cuando agarra el pomo metálico en la puerta de una habitación enmoquetada. De forma inesperada, los experimentos de Faraday mostraron que los campos eléctrico y magnético están íntimamente relacionados: él encontró que un campo eléctrico variable genera un campo magnético, y viceversa. En la segunda mitad del siglo XIX, James Clerk Maxwell dio forma matemática a estas ideas, describiendo los campos eléctrico y magnético en términos de números asignados a cada punto en el espacio; los valores de los números reflejan la capacidad del campo, en esa localización, para ejercer influencia.

Lugares en el espacio donde los valores numéricos del campo magnético son altos, por ejemplo en una cavidad de un aparato de imagen por resonancia magnética (MRI), son lugares donde los objetos metálicos sentirían un fuerte tirón o empuje. Lugares en el espacio donde los valores numéricos del campo eléctrico son altos, por ejemplo en el interior de una nube de tormenta, son lugares donde pueden ocurrir potentes descargas eléctricas tales como un relámpago.

Maxwell descubrió ecuaciones, que ahora llevan su nombre, que gobiernan cómo varía la intensidad de los campos eléctrico y magnético de un punto a otro en el espacio y de un instante a otro en el tiempo. Estas mismas ecuaciones gobiernan el mar de campos eléctricos y magnéticos rizados, denominado ondas electromagnéticas, dentro del cual estamos todos inmersos. Encienda un teléfono móvil, una radio, o un computador inalámbrico, y las señales recibidas representan una porción minúscula de la maraña de transmisiones electromagnéticas que le atraviesan silenciosamente cada segundo. Y lo más sorprendente de todo: las ecuaciones de Maxwell revelaron que la propia luz visible es una onda electromagnética, una onda que podemos ver porque la evolución ha preparado nuestros ojos para ello.

En la segunda mitad del siglo XX, los físicos unificaron el concepto de campo con su creciente comprensión del micromundo compendiada por la mecánica cuántica. El resultado, la teoría cuántica de campos proporciona un marco matemático para nuestras más refinadas teorías de la materia y las fuerzas de la naturaleza. Utilizándola, los físicos han establecido que, además de los campos eléctrico y magnético, existe toda una serie de otros campos con nombres tales como campos nucleares fuerte y débil y campos de electrones, quarks y neutrinos. Un campo que hasta la fecha sigue siendo puramente hipotético, el campo inflatón, proporciona una base teórica para la cosmología inflacionaria.

Campos cuánticos e inflación

Los campos portan energía. Cualitativamente lo sabemos porque los campos realizan tareas que requieren energía, como hacer que se muevan objetos (tales como clips). Cuantitativamente, las ecuaciones de la teoría cuántica de campos nos muestran cómo, dado el valor numérico de un campo en una localización concreta, se puede calcular la cantidad de energía que contiene.             

La expansión rápida del espacio se llama inflación, pero siguiendo el patrón histórico de poner nombres que terminan en «on» (electrón, protón, neutrón, muón, etc.), cuando los físicos se refieren al campo que impulsa la inflación, olvidan la última «i». De aquí, campo inflatón. Normalmente, cuanto mayor es el valor, mayor es la energía. El valor de un campo puede variar de un lugar a otro, pero si fuera constante, si tomara el mismo valor en todas partes, llenaría el espacio con la misma energía en cada punto. La idea crítica de Guth fue que tales configuraciones de campo uniformes llenan el espacio no sólo con energía uniforme, sino también con presión negativa uniforme. Y con ello, él encontró un mecanismo físico para generar gravedad repulsiva.

Para ver por qué un campo uniforme da presión negativa, pensemos primero en una situación más ordinaria que incluye presión positiva: la apertura de una botella de champán. Cuando usted saca lentamente el corcho, puede sentir la presión positiva del dióxido de carbono del champán que empuja hacia fuera, impulsando el corcho desde la botella hacia su mano. Un hecho que usted puede verificar directamente es que esta fuerza hacia fuera drena un poco de energía del champán. ¿Ve usted esos zarcillos de vapor cerca del cuello de la botella cuando el corcho ha salido? Se forman porque la energía que consume el champán al empujar el corcho produce una caída en la temperatura que, como sucede con su aliento en un frío día de invierno, hace que el vapor de agua ambiente se condense.

Imaginemos ahora que se reemplaza el champán por algo menos festivo pero más pedagógico: un campo cuyo valor es uniforme a lo largo de la botella. Ahora, cuando usted quite el corcho experimentará algo muy diferente. A medida que desliza el corcho hacia fuera, deja un pequeño volumen extra dentro de la botella disponible para que el campo lo permee. Puesto que un campo uniforme aporta la misma energía en cada localización, cuanto mayor es el volumen que llena el campo, mayor es la energía total que contiene la botella. Lo que significa que, a diferencia de lo que ocurre con el champán, el acto de quitar el corcho añade energía a la botella.

¿Cómo podría ser? ¿De dónde vendría la energía? Bien, piense en lo que sucede si los contenidos de la botella, en lugar de empujar el corcho hacia fuera, tiran del corcho hacia dentro. Esto requeriría que usted tirara del corcho para sacarlo, un esfuerzo que a su vez transferiría energía de sus músculos a los contenidos de la botella. Para explicar el aumento en la energía de la botella concluimos entonces que, a diferencia del champán, que empuja hacia fuera, un campo uniforme succiona hacia dentro. Eso es lo que entendemos al decir que un campo uniforme produce una presión negativa, y no positiva. Aunque no hay nadie que descorche el cosmos, es válida la misma conclusión: si hay un campo —el hipotético campo inflatón— que tiene un valor uniforme a lo largo de una región del espacio, llenará dicha región no sólo con energía sino también con presión negativa. Y, como es ahora familiar, tal presión negativa produce gravedad repulsiva, que impulsa una expansión del espacio cada vez más rápida.

Cuando Guth introdujo en las ecuaciones de Einstein los valores numéricos probables para la energía y presión del inflatón en consonancia con el ambiente extremo del universo primitivo, las matemáticas revelaron que la resultante gravedad repulsiva sería enorme. Fácilmente sería muchos órdenes de magnitud más intensa que la fuerza repulsiva que Einstein concibió años antes cuando flirteaba con la constante cosmológica, e impulsaría un espectacular estiramiento espacial. Sólo esto ya era excitante. Pero Guth se dio cuenta de que había un premio adicional inevitable.

El mismo razonamiento que explica por qué un campo uniforme tiene presión negativa se aplica también a una constante cosmológica. (Si la botella contiene espacio vacío dotado con una constante cosmológica, entonces cuando usted quita lentamente el corcho, el espacio extra que deja disponible dentro de la botella aporta energía extra. La única fuente para esta energía extra es sus músculos, que por consiguiente deben haber forcejeado contra una presión negativa hacia dentro suministrada por la constante cosmológica). Y, como sucede con un campo uniforme, una presión negativa uniforme de una constante cosmológica también da gravedad repulsiva. Pero el punto vital aquí no son las similitudes, sino la forma en que difieren una constante cosmológica y un campo uniforme.

Una constante cosmológica es precisamente eso: una constante, un número fijo introducido en la tercera línea de la declaración de la renta de la relatividad general que generaría hoy la misma gravedad repulsiva que hace miles de millones de años. Por el contrario, el valor de un campo puede cambiar, y generalmente lo hará. Cuando usted enciende su microondas, cambia el campo electromagnético que llena su interior; cuando el técnico activa el interruptor de un aparato MRI, cambia el campo electromagnético que atraviesa la cavidad. Guth se dio cuenta de que un campo inflatón que llenara el espacio podría comportarse de un modo similar —encendiendo un brote y luego apagándolo—, lo que permitiría que la gravedad repulsiva actúe solo durante una breve ventana de tiempo. Eso es esencial. Las observaciones establecen que si sucedió el rápido crecimiento del espacio, debió de haber sucedido hace miles de millones de años y luego se frenó abruptamente hasta llegar a la expansión más sosegada que evidencian las medidas astronómicas detalladas. Por eso, una característica sumamente importante de la propuesta inflacionaria es que la era de potente gravedad repulsiva es transitoria.

El mecanismo para encender y luego apagar el brote inflacionario se basa en la física que desarrolló inicialmente Guth pero que Linde, y Albrecht y Steinhardt, refinaron sustancialmente. Para hacerse una idea de su propuesta, piense en una bola en equilibrio precario en la cima de una montaña cubierta de nieve. Un físico diría que debido a su posición, la bola contiene energía. Más exactamente, contiene energía potencial, lo que significa que tiene energía acumulada que está lista para ser aprovechada, de forma muy fácil si cae rodando, lo que transformaría la energía potencial en energía de movimiento (energía cinética). La experiencia atestigua, y las leyes de la física precisan, que esto es lo normal.

La energía que lleva un campo de valor no nulo es también energía potencial: también puede ser aprovechada, lo que da como resultado una incisiva analogía con la bola. Del mismo modo que el aumento en la energía potencial de la bola cuando "sube" a la montaña está determinado por la forma de la pendiente —en las regiones más planas su energía potencial varía mínimamente cuando "camina", porque apenas asciende, mientras que en las regiones con más pendiente su energía potencial aumenta rápidamente—, la energía potencial de un campo está descrita por una forma análoga, llamada curva de energía potencial. Una curva semejante, como en la Figura 1, determina cómo varía la energía potencial de un campo con su valor.

Siguiendo a los pioneros de la inflación, imaginémonos que en los primeros momentos del cosmos el espacio está lleno uniformemente con un campo inflatón, cuyo valor lo sitúa en lo alto de su curva de energía potencial. Imaginemos además, nos dicen estos físicos, que la curva de energía potencial se nivela para dar una suave meseta (como en la Figura 1), lo que permite que el campo inflatón pase más tiempo cerca de la cima. En estas condiciones hipotéticas, ¿qué sucederá? Dos cosas, ambas críticas. Mientras el inflatón está en la meseta, llena el espacio con una gran energía potencial y presión negativa, lo que impulsa un brote de expansión inflacionaria. Pero, así como la bola libera su energía potencial rodando pendiente abajo, también el campo inflatón libera su energía potencial haciendo rodar su valor, a lo largo del espacio, hasta números menores. Y cuando su valor decrece, la energía y la presión negativa que alberga se disipan, poniendo fin al período de rápida expansión.

Igualmente importante, la energía liberada por el campo inflatón no se pierde; así como el vapor contenido en un recipiente que se enfría se condensa en gotas de agua, la energía del inflatón se condensa en un baño uniforme de partículas que llenan el espacio. Este proceso en dos pasos —expansión breve pero rápida, seguida de conversión de energía en partículas— da como resultado una enorme y uniforme extensión espacial llena con el material bruto de estructuras familiares como estrellas y galaxias.

 Figura 1. La energía contenida en un campo inflatón (eje vertical) para valores dados del campo (eje horizontal)

Los detalles precisos dependen de factores que ni la teoría ni la observación han determinado hasta ahora (el valor inicial del campo inflatón, la forma exacta de la pendiente de la energía potencial y demás), pero en versiones típicas los cálculos matemáticos muestran que la energía del inflatón rodaría pendiente abajo en una minúscula fracción de segundo, del orden de 10^–35 segundos. Y pese a ello, durante ese breve período de tiempo el espacio se expandiría en un factor colosal, quizá 10³⁰, si no más. Estos números son tan extremos que desafían las analogías. Implican que una región del espacio del tamaño de un guisante se estiraría hasta un tamaño mayor que el universo observable en un intervalo de tiempo tan corto que un parpadeo lo superaría en un factor de mil billones de trillones.

Por difícil que sea imaginar una escala semejante, lo que es esencial es que la región del espacio que abarcaba el universo observable era tan pequeña que fácilmente habría llegado a una temperatura uniforme antes de que el rápido brote la estirara hasta convertirla en nuestra gran extensión cósmica.                             

En la aproximación a la inflación no hay una explicación fundamental de por qué el valor del campo inflatón empezaría en lo alto de la curva de energía potencial, ni de por qué la curva de energía potencial tendría la forma concreta que tiene. Éstas son hipótesis que hace la teoría. Versiones posteriores de la inflación, muy en especial una desarrollada por Andrei Linde llamada inflación caótica, encuentran que una curva de energía potencial más «ordinaria» (una forma parabólica sin sección plana que emerge de las ecuaciones matemáticas más sencillas para la energía potencial) también puede dar expansión inflacionaria. Para iniciar la expansión inflacionaria el valor del campo inflatón tiene que estar también en lo alto de su curva de energía potencial, pero las condiciones enormemente calientes que se esperan en el universo primitivo harían que esto suceda de forma natural.

La expansión inflacionaria, y miles de millones de años de evolución cósmica posterior, dieron omo resultado que esta temperatura se enfriara sustancialmente, pero la uniformidad pronto establecida dicta un resultado uniforme hoy. Esto resuelve el misterio de cómo se dieron las condiciones uniformes del universo. En la inflación, una temperatura uniforme a lo largo del espacio es inevitable.

Inflación eterna

Durante las casi tres décadas transcurridas desde su descubrimiento, la inflación ha sido un pilar de la investigación cosmológica. Pero para tener una imagen precisa del panorama de la investigación, usted debería ser consciente de que la inflación es un marco cosmológico, pero no una teoría específica. Los investigadores han demostrado que hay muchas formas de llegar a la inflación, que difieren en detalles tales como el número de campos inflatón que suministra la presión negativa, las curvas concretas de energía potencial a la que está sometido cada campo y demás. Por suerte, las diversas realizaciones de la inflación tienen algunas consecuencias en común, así que podemos extraer conclusiones incluso a falta de una versión definitiva.                         

La rápida expansión del espacio en la cosmología inflacionaria implica un enfriamiento importante (igual que una rápida compresión del espacio, o de casi cualquier cosa, provoca un aumento en la temperatura). Pero cuando la inflación termina, el campo inflatón oscila en torno al mínimo de su curva de energía potencial, lo que transfiere su energía a un baño de partículas. El proceso se llama «recalentamiento» porque las partículas así producidas tendrán energía cinética y por ello pueden caracterizarse por una temperatura. Como luego el espacio continúa experimentando una expansión big bang más ordinaria (no inflacionaria), la temperatura del baño de partículas decrece continuamente. El punto importante, sin embargo, es que la uniformidad impuesta por la inflación proporciona condiciones uniformes para estos procesos, y por ello da resultados uniformes.

En este contexto, es de gran importancia algo que fue plenamente advertid por primera vez por Alexander Vilenkin de la Universidad Tufts y desarrollada posteriormente por otros, incluyendo muy en especial a Linde. Alan Guth era consciente de la naturaleza eterna de la inflación; Paul Steinhardt elaboró su realización matemática en ciertos contextos; Alexander Vilenkin la sacó a la luz en los términos más generales. En muchas versiones de la teoría inflacionaria, el brote de expansión espacial no es un suceso único. En su lugar, el proceso por el que se formó nuestra región de universo —rápido estiramiento del espacio, seguido de una transición a una expansión más lenta y normal, junto con la producción de partículas— puede suceder una y otra vez en varias localizaciones muy remotas a lo largo del cosmos. A vista de pájaro, el cosmos aparecería agujereado con muchas regiones ampliamente separadas, cada una de ellas consecuencia de una porción de espacio que ha experimentado un brote inflacionario.

Nuestro dominio, al que siempre hemos considerado el universo, sería entonces tan sólo una de estas numerosas regiones flotando dentro de una extensión espacial inmensamente mayor. Si existe vida inteligente en las otras regiones, sin duda esos seres pensarán también que su universo es el universo. Y así, la cosmología inflacionaria nos lleva directos a nuestra segunda variación sobre el tema de los universos paralelos. Para comprender cómo se produce este multiverso inflacionario tenemos que ocuparnos de dos complicaciones que mi analogía con la bola pasó por alto.                    

En primer lugar, la imagen de la bola en la cima de una montaña ofrecía una analogía con un campo inflatón que albergaba alta energía potencial y presión negativa, a punto de rodar hasta valores más bajos. Pero mientras que la bola está en la cima de una única montaña, el campo inflatón tiene un valor en cada punto del espacio. La teoría postula que el campo inflatón empieza con el mismo valor en cada localización dentro de una región inicial. Y por ello habríamos obtenido una versión más fiel de la ciencia si imaginamos algo un poco extraño: muchos clones de la bola en lo alto de muchas montañas idénticas y muy próximas a lo largo de una extensión espacial.

En segundo lugar, hasta ahora apenas he tocado el aspecto cuántico de la teoría cuántica de campos. El campo inflatón, como cualquier otra cosa en nuestro universo cuántico, está sujeto a la incertidumbre cuántica. Esto significa que su valor sufrirá fluctuaciones cuánticas aleatorias, aumentando momentáneamente un poco aquí y disminuyendo un poco allá. En situaciones cotidianas, las fluctuaciones cuánticas son demasiado pequeñas para ser advertidas. Pero los cálculos muestran que cuanta más energía tiene un inflatón, mayores serán las fluctuaciones que experimentará debido a la incertidumbre cuántica. Y puesto que el contenido de energía del inflatón durante el brote inflacionario era extraordinariamente alto, las fluctuaciones en el universo primitivo eran grandes y dominantes.                               

El valor del campo inflatón determina la cantidad de energía y de presión negativa que distribuye a través del espacio. Cuanto mayor es la energía, mayor es la velocidad de expansión del espacio. A su vez, la rápida expansión del espacio tiene una retrorreacción sobre el propio campo inflatón: cuanto más rápida es la expansión del espacio, más violentamente fluctúan los valores del campo inflatón. De modo que no sólo deberíamos imaginar un conjunto de bolas en la cima de montañas idénticas; también deberíamos imaginar que todos ellos están sujetos a una serie aleatoria de temblores —fuertes aquí, débiles allá, muy fuertes más allá—. Con este montaje, podemos ahora determinar lo que va a suceder. Diferentes clones de la bola seguirán en la cima de sus montañas durante tiempos diferentes. En algunos lugares, un fuerte temblor hace rodar pendiente abajo a la mayoría de las bolas; en otros lugares, algunas pueden haber empezado a rodar hasta que un fuerte temblor les devuelve arriba. Al cabo de un tiempo, el terreno estará dividido en una colección aleatoria de dominios —igual que España está dividida en comunidades—, en algunas de las cuales no queda ninguna bola en la cima de las montañas, mientras que en otras quedan muchas.

La naturaleza aleatoria de las fluctuaciones cuánticas da una conclusión similar para el campo inflatón. El campo empieza alto en su pendiente de energía potencial en todos los puntos en una región del espacio. Las fluctuaciones cuánticas actúan entonces como temblores. A causa de ello, la extensión del espacio se divide rápidamente en dominios: en unos, las fluctuaciones cuánticas hacen que el campo caiga pendiente abajo, mientras que en otros permanece en lo alto de su curva de energía afecta a su entorno de forma mucho más importante que lo hace una bola en una situación similar. A partir de que energía uniforme y presión negativa de un campo generan gravedad repulsiva, reconocemos que la región que el campo permea se expande a una velocidad fantástica. Esto significa que la evolución del campo inflatón a través del espacio está impulsada por dos procesos que se oponen.

Las fluctuaciones cuánticas, que tienden a sacar el campo de su posición, reducen la cantidad de espacio impregnado con alta energía del campo. La expansión inflacionaria, al ampliar rápidamente aquellos dominios en los que el campo permanece firme, aumenta el volumen del espacio impregnado con alta energía del campo.

Figura 2. Diversos dominios en los que el campo inflatón ha caído por la pendiente (gris oscuro) o sigue alto (gris suave).

 ¿Qué proceso vence?  

En la inmensa mayoría de las versiones propuestas de la cosmología inflacionaria, el aumento ocurre al menos tan rápidamente como la reducción. La razón es que un campo inflatón que puede ser sacado de su posición con demasiada rapidez genera típicamente una expansión inflacionaria demasiado pequeña para resolver el problema del horizonte; en versiones cosmológicamente satisfactorias de la inflación, el aumento vence a la reducción, lo que asegura que el volumen total del espacio en el que la energía es alta aumenta con el tiempo. Teniendo en cuenta que tales configuraciones del campo producen todavía más expansión inflacionaria, vemos que una vez que la inflación empieza, nunca termina.

Es como la difusión de una pandemia viral. Para erradicar la amenaza hay que acabar con los virus con más rapidez que con la que pueden reproducirse. El virus inflacionario «se reproduce» —un alto valor del campo genera rápida expansión espacial y con ello infecta a un dominio aún mayor con el mismo valor alto del campo— y lo hace con demasiada rapidez para que el proceso competidor lo elimine. El virus inflacionario se resiste eficazmente a ser erradicado.                                 

 Cuando el espacio sufre expansión inflacionaria, su energía total aumenta: cuanto mayor es el volumen de espacio lleno con un campo inflatón, mayor es la energía total (si el espacio es infinitamente grande, la energía también es infinita: en este caso deberíamos hablar de la energía contenida en una región finita del espacio cuando la región se hace más grande). Lo que lleva de manera natural a preguntar: ¿cuál es la fuente de dicha energía? Para la situación análoga con la botella de champán, la fuente de la energía adicional en la botella procede de la fuerza ejercida por sus músculos. ¿Qué desempeña el papel de sus músculos en el cosmos en expansión? La respuesta es la gravedad. Mientras sus músculos eran el agente que permitía que se expanda el espacio disponible dentro de la botella (al sacar el corcho), la gravedad es el agente que permite que se expanda el espacio disponible en el cosmos. Es vital darse cuenta de que la energía del campo gravitatorio puede ser arbitrariamente negativa.

Consideremos dos partículas que caen una hacia otra bajo su mutua atracción gravitatoria. La gravedad hace que las partículas se aproximen cada vez a mayor velocidad, y cuando lo hacen, su energía cinética se hace cada vez más positiva. El campo gravitatorio puede suministrar a las partículas dicha energía positiva porque la gravedad puede reducir su propia reserva de energía, que se hace arbitrariamente negativa en el proceso: cuanto más se aproximan las partículas, más energía positiva hay que inyectar para superar la fuerza de gravedad y separar las partículas de nuevo. La gravedad es entonces como un banco que tiene una línea de crédito sin límite y por ello puede prestar cantidades inacabables de energía; el campo gravitatorio puede suministrar cantidades inacabables de energía porque su propia energía puede hacerse cada vez más negativa. Y ésa es la fuente de energía que impulsa la expansión inflacionaria. 

El queso gruyer y el cosmos

En conjunto, estas ideas muestran que la cosmología inflacionaria lleva a una imagen completamente nueva de la extensión de la realidad, una imagen que es muy fácil de captar con una sencilla ayuda visual. Pensemos en el universo como un gigantesco queso gruyer, en el que las partes sólidas son regiones donde el valor del campo inflatón es alto y los agujeros son regiones donde es bajo. Es decir, los agujeros son regiones, como la nuestra, que han salido de la expansión super-rápida y en el proceso han convertido la energía del campo inflatón en un baño de partículas, que con el tiempo pueden unirse para dar galaxias, estrellas y planetas. En este lenguaje hemos encontrado que el queso cósmico tiene cada vez más agujeros porque los procesos cuánticos reducen el valor del inflatón en un conjunto aleatorio de localizaciones. Al mismo tiempo, las partes sólidas se hacen cada vez más grandes porque están sujetas a expansión inflacionaria impulsada por el alto valor del campo inflatón que albergan. Tomados juntos, los dos procesos dan un bloque de queso cósmico en continua expansión y cribado con un número cada vez mayor de agujeros. En el lenguaje más estándar de la cosmología, cada agujero se denomina un universo burbuja (o un universo de bolsillo). Cada uno es un claro dentro de la extensión cósmica en expansión superrápida No se deje engañar por la expresión descriptiva pero diminutiva «universo burbuja». Nuestro universo es gigantesco.

La gravedad es el agente que permite que se expanda el espacio disponible en el cosmos. Es vital darse cuenta de que la energía del campo gravitatorio puede ser arbitrariamente negativa. Consideremos dos partículas que caen una hacia otra bajo su mutua atracción gravitatoria. La gravedad hace que las partículas se aproximen cada vez a mayor velocidad, y cuando lo hacen, su energía cinética se hace cada vez más positiva. El campo gravitatorio puede suministrar a las partículas dicha energía positiva porque la gravedad puede reducir su propia reserva de energía, que se hace arbitrariamente negativa en el proceso: cuanto más se aproximan las partículas, más energía positiva hay que inyectar para superar la fuerza de gravedad y separar las partículas de nuevo. La gravedad es entonces como un banco que tiene una línea de crédito sin límite y por ello puede prestar cantidades inacabables de energía; el campo gravitatorio puede suministrar cantidades inacabables de energía porque su propia energía puede hacerse cada vez más negativa. Y ésa es la fuente de energía que impulsa la expansión inflacionaria. 

Figura 3 El multiverso inflacionario aparece cuando se forman continuamente universos burbuja dentro de un ambiente espacial en continua expansión permeado por un campo inflatón de alto valor.                              

Y esto vale también para otras burbujas. Cada una sería un universo —una extensión real, gigantesca y dinámica— como el nuestro. Hay versiones de la teoría inflacionaria en las que la inflación no es eterna. Ajustando detalles tales como el número de campos inflatón y sus curvas de energía potencial, teóricos astutos pueden disponer las cosas de modo que el inflatón sería, a su debido tiempo, desplazado de su alta posición en todas partes. Pero estas propuestas son la excepción y no la regla. Modelos inflacionarios comunes dan un número gigantesco de universos burbuja esculpidos en una extensión espacial en continua expansión. Y así, si la teoría inflacionaria es correcta, y si, como afirman muchas investigaciones teóricas, su realización físicamente relevante es eterna, la existencia de un multiverso inflacionario sería una consecuencia inevitable.  

Perspectivas cambiantes

Volviendo a los años ochenta, cuando Vilenkin se dio cuenta de la naturaleza eterna de la expansión inflacionaria y los universos paralelos a que daría lugar, fue a visitar a Alan Guth en el MIT para hablarle de ello. A mitad de la explicación, Guth dio una cabezada; se había quedado dormido. Esto no era necesariamente una mala señal; Guth es famoso por dar cabezadas durante los seminarios de física, pero entonces abre los ojos a la mitad de la exposición para hacer la pregunta más inteligente. Pero la más amplia comunidad física no era más entusiasta que Guth, de modo que Vilenkin se guardó la idea y pasó a otros proyectos.

Hoy la opinión es muy diferente. Cuando Vilenkin pensó por primera vez sobre el multiverso inflacionario, las pruebas en apoyo directo de la propia teoría inflacionaria eran débiles. Por eso, para los pocos que prestaron atención, las ideas sobre una expansión inflacionaria que produce una inmensa colección de universos paralelos parecía una especulación encima de otra. Pero en los años transcurridos desde entonces, el argumento a favor de la inflación se ha hecho mucho más fuerte, una vez más gracias básicamente a medidas precisas de la radiación de fondo de microondas.

Incluso si la uniformidad observada de la radiación de fondo de microondas fue una de las principales motivaciones para desarrollar la teoría inflacionaria, los primeros proponentes se dieron cuenta de que la rápida expansión espacial no dejaría la radiación perfectamente uniforme. En su lugar, ellos argumentaron que las agitaciones mecano-cuánticas estiradas por la expansión inflacionaria deberían recubrir la uniformidad con minúsculas variaciones de temperatura, como minúsculos rizos en la superficie de un estanque por lo demás liso. Ésta ha resultado ser una idea espectacular y enormemente influyente. La incertidumbre cuántica habría hecho fluctuar el valor del campo inflatón. De hecho, si la teoría inflacionaria es correcta, el brote de expansión inflacionaria se detuvo aquí porque una gran y afortunada fluctuación cuántica, hace casi catorce mil millones de años, sacó al inflatón de su alta posición en nuestra vecindad.

La expansión del espacio es tan rápida, incluso durante la salida de la fase inflacionaria, que lo microscópico se habría estirado hasta lo macroscópico. E igual que un minúsculo mensaje garabateado en un globo deshinchado se hace más fácil de leer cuando el globo se infla y su superficie se estira, también la influencia de las fluctuaciones cuánticas se hace visible cuando la expansión inflacionaria estira el tejido cósmico. Más concretamente, mínimas diferencias de energía causadas por fluctuaciones cuánticas se estiran y dan variaciones de temperatura que quedan impresas en la radiación cósmica de fondo de microondas. Los cálculos muestran que las diferencias de temperatura no serían enormes precisamente, pero podrían llegar a una milésima de grado. Si la temperatura es 2,725 K en una región, el resultado de las fluctuaciones cuánticas estiradas hace que sea un poco más fría, 2,7245 K, o una pizca más caliente, 2,7255 K, en regiones próximas.

Observaciones astronómicas meticulosas han buscado estas variaciones de temperatura. Y las han encontrado. Tal como predecía la teoría, miden aproximadamente una milésima de grado (véase Figura 3.4). Y lo que es más impresionante: las minúsculas diferencias de temperatura encajan en una imagen del cielo que es perfectamente explicada por los cálculos teóricos. La Figura 5 compara las predicciones teóricas de la variación de la temperatura en función de la distancia entre dos regiones (medida por el ángulo entre sus dos visuales respectivas cuando se mira desde la Tierra) con las medidas reales. El acuerdo es asombroso.

El premio Nobel de Física de 2006 fue concedido a George Smoot y John Mather, quienes dirigieron a los más de mil investigadores del equipo del Cosmic Background Explorer que a principios de los años noventa detectaron por primera vez las variaciones de temperatura predichas. Durante la última década, cada nueva y más exacta medida ha supuesto una verificación aún más precisa de las variaciones de temperatura predichas. Estos trabajos han coronado una emocionante historia de descubrimientos que empezó con las ideas de Einstein, Friedmann y Lemaître, recibió impulso de los cálculos de Gamow, Alpher y Herman, fue revitalizada por las ideas de Dicke y Peebles, se mostró relevante por las observaciones de Penzias y Wilson, y ahora ha culminado en el trabajo manual de ejércitos de astrónomos, físicos e ingenieros cuyos esfuerzos combinados han medido una rúbrica cósmica fantásticamente minúscula que fue establecida hace miles de millones de años.

En un nivel más cualitativo, todos deberíamos estar agradecidos por las manchas en la Figura 4. Al final de la inflación en nuestro universo burbuja, regiones con una energía ligeramente mayor (o lo que es equivalente, vía E = mc², regiones con masa ligeramente mayor) ejercían una atracción gravitatoria ligeramente más intensa, atrajeron más partículas de sus entornos y con ello se hicieron más grandes.  

 

  Figura 4. La enorme expansión espacial en la cosmología inflacionaria estira las fluctuaciones cuánticas desde lo microscópico hasta lo macroscópico, lo que produce variaciones de temperatura observables en la radiación cósmica de fondo de microondas (las manchas oscuras están ligeramente más frías que las más suaves).

 A su vez, los mayores agregados ejercían una atracción gravitatoria aún más intensa, con lo que atraían aún más materia y se hacían aún más grandes. Con el tiempo, este efecto bola de nieve produjo la formación de grumos de materia y energía que, durante miles de millones de años, evolucionaron hasta dar galaxias y las estrellas en su interior. De este modo, la teoría inflacionaria establece un vínculo notable entre las estructuras más grandes y las más pequeñas en el cosmos. La propia existencia de galaxias, estrellas, planetas y la vida misma deriva de la incertidumbre cuántica microscópica amplificada por la expansión inflacionaria.

 

 Figura 5. La pauta de las diferencias de temperatura en la radiación cósmica de fondo de microondas. Variaciones de temperatura en el eje vertical; la separación entre dos localizaciones (medida por el ángulo entre sus visuales respectivas vistas desde la Tierra —ángulos más grandes a la izquierda, ángulos más pequeños a la derecha—) en el eje horizontal.38  La curva teórica es continua; los círculos representan los datos observacionales.                             

Los cimientos teóricos de la inflación pueden ser más bien provisionales: después de todo, la inflación es un campo hipotético cuya existencia aún está por demostrar; su curva de energía potencial es postulada por investigadores, no revelada por la observación; la inflación debe de empezar de algún modo en la cima de su curva de energía en una región de espacio; y así sucesivamente. Pese a todo, e incluso si algunos detalles de la teoría no son completamente correctos, el acuerdo entre teoría y observación ha convencido a muchos de que el esquema inflacionario destila una verdad profunda sobre la evolución cósmica. Y puesto que muchísimas versiones de la inflación son eternas, y dan lugar a un número cada vez mayor de universos burbuja, teoría y observación se combinan para dar un argumento indirecto pero convincente a favor de esta segunda versión de mundos paralelos.

Experimentando el multiverso inflacionario

En un multiverso mosaico no hay una clara divisoria entre un universo paralelo y otro. Todos son parte de una única extensión espacial cuyas características cualitativas generales son similares de una región a otra. La sorpresa está en los detalles. La mayoría de nosotros no esperaría que los mundos se repitan; la mayoría de nosotros no esperaría encontrar versiones de nosotros mismos, nuestros amigos o nuestras familias. Pero si pudiéramos viajar suficientemente lejos, eso es lo que encontraríamos.

En un multiverso inflacionario, los universos miembros están claramente separados. Cada uno es un agujero en el queso cósmico, separado de los otros por dominios en los que el valor del inflatón permanece alto. Puesto que tales regiones interpuestas aún están experimentando expansión inflacionaria, los universos burbuja son rápidamente separados, con una velocidad de recesión proporcional a la cantidad de espacio que se está dilatando entre ellos. Cuanto más alejados están, mayor es la velocidad de expansión; el resultado final es que burbujas distantes se separan a una velocidad mayor que la de la luz. Incluso con tiempo y tecnología ilimitados, no hay modo de cruzar tal divisoria. No hay modo de enviar siquiera una señal.

Pese a todo, podemos imaginar un viaje a uno o más de los otros universos burbuja. ¿Qué encontraríamos en dicho viaje? Bueno, puesto que cada universo burbuja resulta del mismo proceso —el inflatón es sacado de su alta posición, lo que da una región que sale de la expansión inflacionaria—, todos están gobernados por la misma teoría física y por ello todos están sujetos al mismo conjunto de leyes físicas. Pero, del mismo modo que el comportamiento de gemelos idénticos puede diferir profundamente como resultado de diferencias ambientales, leyes idénticas pueden manifestarse de maneras profundamente diferentes en ambientes diferentes.

Imaginemos, por ejemplo, que uno de los otros universos burbuja se parece mucho al nuestro, salpicado de galaxias que contienen estrellas y planetas, pero con una diferencia esencial: permeando el universo hay un campo magnético, miles de veces más fuerte que el creado en nuestros más avanzados aparatos MRI, y que no puede ser desconectado por ningún técnico. Este potente campo afectaría al comportamiento de muchas cosas. No sólo los objetos que contienen hierro tendrían un fastidioso hábito de salir volando en la dirección del campo, sino que cambiarían incluso las propiedades básicas de partículas, átomos y moléculas. Un campo magnético suficientemente intenso perturbaría tanto la función celular que la vida tal como la conocemos no podría sostenerse.

Pero igual que las leyes físicas que actúan dentro de un MRI son las mismas leyes que actúan fuera, también las leyes físicas que actúan en este universo magnético serían las mismas que las nuestras. Las discrepancias en los resultados experimentales y las características observables serían debidas solamente a un aspecto del ambiente: el intenso campo magnético. Científicos inteligentes en el universo magnético sortearían este factor ambiental y llegarían a las mismas leyes matemáticas que nosotros hemos descubierto.

Durante los últimos cuarenta años, los investigadores han construido un argumento a favor de un escenario similar aquí, en nuestro propio universo. La teoría más alabada de la física fundamental, el modelo estándar de la física de partículas, postula que estamos inmersos en una niebla exótica llamada campo de Higgs (con el nombre del físico inglés Peter Higgs, quien, con importantesaportaciones de Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble, avanzó esta idea en los años sesenta). Tanto los campos de Higgs como los campos magnéticos son invisibles y por ello pueden llenar el espacio sin revelar directamente su presencia. Sin embargo, según la moderna teoría de partículas, un campo de Higgs se camufla mucho más. Cuando las partículas se mueven a través de un campo de Higgs uniforme que llena el espacio, no se aceleran, no se frenan, no están obligadas a seguir trayectorias concretas, como algunas harían en presencia de un campo magnético intenso. En su lugar, afirma la teoría, son influenciadas de maneras más sutiles y profundas.

Cuando las partículas fundamentales atraviesan un campo de Higgs, adquieren y mantienen la masa que los experimentos nos dicen que poseen. Según esta idea, cuando se empuja a un electrón o a un quark en un intento por cambiar su velocidad, la resistencia que se siente procede del «roce» de la partícula contra un campo de Higgs parecido a una melaza. A esta resistencia es a lo que llamamos la masa de la partícula. Si usted eliminara el campo de Higgs de una región, la masa de las partículas que la atraviesan desaparecería rápidamente. Si duplicara el valor del campo de Higgs en otra región, la masa de las partículas pasaría rápidamente a ser el doble de su masa habitual. 

Tales cambios inducidos por el hombre son hipotéticos, porque la energía requerida para modificar sustancialmente el valor de un campo de Higgs siquiera en una pequeña región del espacio está muchísimo más allá de la que podemos reunir. (Los cambios son también hipotéticos porque la existencia de los campos de Higgs aún está en el aire. Los teóricos prevén colisiones altamente energéticas entre protones en el Gran Colisionador de Hadrones en las que se desprendan pequeños trozos del campo de Higgs —partículas de Higgs— que ya se detectaron). Pero en muchas versiones de la cosmología inflacionaria, un campo de Higgs tendría naturalmente diferentes valores en diferentes universos burbuja.

Un campo de Higgs, igual que un campo inflatón, tiene una curva que registra la cantidad de energía que contiene para los diversos valores que puede asumir. Sin embargo, una diferencia esencial con respecto a la curva de energía del campo inflatón es que el Higgs se asienta normalmente no en el valor 0 (como en la Figura 1), sino que más bien rueda hasta uno de los pozos que se ilustran en la Figura 6a. Imaginemos, entonces, una etapa temprana en cada uno de dos universos burbuja, el nuestro y otro. En ambos, el tempestuoso y ardiente frenesí hace que el valor del campo de Higgs oscile incontroladamente. A medida que cada universo se expande y enfría, el campo de Higgs se calma y su valor rueda hacia uno de los pozos en la Figura 6a. En nuestro universo, el valor del campo de Higgs se asienta, digamos, en el pozo izquierdo, lo que da lugar a las propiedades de las partículas que son familiares por la observación cotidiana. Pero en el otro universo, el movimiento del Higgs puede dar como resultado que su valor se asiente en el pozo derecho. Si lo hiciera, el universo tendría propiedades sustancialmente diferentes del nuestro. Aunque las leyes subyacentes en ambos universos serían las mismas, las masas y otras varias propiedades no lo serían.

Incluso una modesta diferencia en las propiedades de las partículas tendría importantes consecuencias. Si la masa del electrón en otro universo burbuja fuera unas pocas veces mayor que la que es aquí, electrones y protones tenderían a fusionarse, formando neutrones e impidiendo con ello la producción generalizada de hidrógeno. Las fuerzas fundamentales —la fuerza electromagnética, las fuerzas nucleares y (creemos) la gravedad— también son transmitidas por partículas. Cambie las propiedades de las partículas y cambiarán drásticamente las propiedades de las fuerzas. Cuanto más pesada es una partícula, por ejemplo, más lento es su movimiento, y con ello más corta es la distancia sobre la que se transmite la fuerza correspondiente. La formación y la estabilidad de los átomos en nuestro universo burbuja se basa en las propiedades de las fuerzas electromagnética y nuclear. Si se modifican sustancialmente dichas fuerzas, los átomos se descompondrán o, lo que es más probable, no llegarán a formarse. Un cambio apreciable en las propiedades de las partículas interrumpiría los propios procesos que dan a nuestro universo sus características familiares.  

La Figura 6a ilustra solamente el caso más simple, en el que hay un único tipo de campo de Higgs. Pero los físicos teóricos han explorado escenarios más complicados que incluyen múltiples campos de Higgs (pronto veremos que tales posibilidades surgen de forma natural de la teoría de cuerdas), que se traducen en un conjunto aún más rico de universos burbuja distintos. Un ejemplo con dos campos de Higgs se ilustra en la Figura 6b. Como antes, los diversos pozos representan valores del campo de Higgs en los que podrían asentarse uno u otro de los universos burbuja.

 

 Figura 6 (a) Una curva de energía potencial para un campo de Higgs que tiene dos hoyos. Las características familiares de nuestro universo están asociadas con el asentamiento del campo en el hoyo izquierdo; sin embargo, en otro universo el campo puede asentarse en el hoyo derecho, lo que da características físicas diferentes. (b) Una muestra de curva de energía potencial para una teoría con dos campos de Higgs.  

Permeados por tales valores poco familiares de diversos campos de Higgs, estos universos diferirían considerablemente del nuestro, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 7. Esto haría de un viaje a través del multiverso inflacionario una empresa peligrosa. Muchos de los otros universos no serían lugares que usted quisiera incluir en su itinerario, porque las condiciones serían incompatibles con los procesos biológicos esenciales para la supervivencia, lo que daría nuevo significado al dicho de que en ningún lugar como en casa. En el multiverso inflacionario, nuestro universo muy bien podría ser una isla oasis en un gigantesco pero básicamente inhóspito archipiélago cósmico.

 

 Figura 7. Puesto que los campos de Higgs pueden asentarse en diferentes valores en diferentes burbujas, los universos en el multiverso inflacionario pueden tener diferentes características físicas, incluso si todos los universos están gobernados por las mismas leyes físicas fundamentales.