INFLACION ETERNA

INFLACION ETERNA

Imparable

La primera sorpresa es que la inflación suele negarse a detenerse, así que continúa produciendo espacio eternamente. Esto se descubrió con modelos específicos de Andréi Linde y Paul Steinhardt. Una demostración elegante de la existencia de este efecto la aportó Alex Vilenkin, un profesor de la Universidad Tufts, En su época de estudiante en su Ucrania natal, rechazó una solicitud de la KGB para testificar en contra de un compañero de estudios que mantenía una actitud crítica con las autoridades, a pesar de la advertencia de que aquella negativa tendría «consecuencias». Aunque lo admitieron para estudiar un posgrado de Física en la Universidad de Járkov, nunca le concedieron el permiso necesario para trasladarse allí, y tampoco consiguió acceder a trabajos normales. Aguantó un año ejerciendo como vigilante nocturno en un zoo antes de conseguir, por fin, salir del país. Quizá esa determinación suya para aferrarse a lo que cree que está bien a pesar de la presión de la autoridad sirva para explicar por qué persistió y descubrió cosas que otros grandes científicos desestimaron.

Vilenkin averiguó que la cuestión de dónde y cuándo acaba la inflación es muy sutil e interesante. Sabemos que la inflación termina al menos en algunos lugares, ya que trece mil ochocientos millones de años atrás finalizó en la región del espacio que ahora habitamos. Esto significa que tiene que haber algún proceso físico capaz de eliminar la sustancia inflacionaria de manera que decaiga en materia normal no inflacionaria, la cual a continuación sigue expandiéndose, formando estructuras y, a la larga, dando lugar a galaxias, estrellas y planetas. Es bien sabido que la radiactividad hace que sustancias inestables decaigan en otras, así que supongamos que la sustancia inflacionaria adolece de una inestabilidad análoga. Esto significa que existe alguna escala temporal llamada vida media durante la cual decaerá la mitad de la sustancia inflacionaria. Ahora nos encontramos ante un tira y afloja entre la multiplicación por dos causada por la inflación y la división entre dos que causa el decaimiento. Para que funcione la inflación, esta tiene que ganar la batalla, de forma que el total del volumen inflacionario aumente con el tiempo.

Esto significa que el tiempo de duplicación de la sustancia inflacionaria tiene que ser más corto que su vida media. La figura ilustra tal ejemplo, donde la inflación triplica el tamaño del espacio mientras decae un tercio de la sustancia inflacionaria una y otra vez. Como se ve, el volumen total del espacio que aún se está inflando sigue duplicándose eternamente.

Al mismo tiempo, el decaimiento del espacio inflacionario genera la producción continua de regiones del espacio no inflacionarias, así que la cantidad de volumen no inflacionario, donde la inflación ha cesado y pueden formarse galaxias, también continúa duplicándose. Esta propiedad perpetua de la inflación resultó ser más general de lo esperado en un primer momento. Andréi Linde, que acuñó el término inflación eterna, descubrió que hasta el modelo más simple de inflación que propuso él mismo, y sobre el que hablé con anterioridad, experimentaba una inflación eterna mediante un elegante mecanismo relacionado con las fluctuaciones cuánticas que generaron nuestras fluctuaciones cosmológicas primordiales.

Hasta el momento actual, investigadores de todo el orbe han analizado en detalle un conjunto enorme de modelos de inflación, y se ha descubierto que casi todos ellos conducen a la inflación eterna. Aunque la mayoría de esos cálculos son bastante complejos, la ilustración esquemática de la figura capta la esencia de por qué la inflación es eterna en general: para que funcione la inflación en primer lugar, la sustancia inflacionaria debe expandirse más rápidamente de lo que decae, y esto provoca de manera automática que la cantidad total de materia inflacionaria crezca sin límites.

El hallazgo de la inflación eterna ha transformado radicalmente nuestra percepción de lo que hay ahí fuera en el espacio a las escalas más grandes. La vieja interpretación, con una línea argumental única en secuencia simple: «Había una vez una cosa llamada inflación. La inflación creó nuestra Gran Explosión. La Gran Explosión creó las galaxias», no es correcta. La figura ilustra por qué esta historia es demasiado ingenua: reproduce una vez más el error humano de dar por supuesto que todo lo que conocemos es todo lo que existe. Vemos que incluso la Gran Explosión no es más que una pequeña parte de algo mucho mayor, una estructura arbórea que aún está creciendo. En otras palabras, lo que he denominado nuestra Gran Explosión no fue el comienzo último, sino más bien el final de la inflación en nuestra región del espacio.

Cómo crear un espacio infinito en un volumen finito

¿El espacio sigue y sigue y no se acaba nunca? La inflación eterna da una respuesta clara: el espacio no es solo inmenso, quizá infinito. Y contiene una cantidad ingente de galaxias, estrellas y planetas. Analicemos esta idea con más detenimiento. Aunque el carácter esquemático de la figura no lo deje claro, aún estamos hablando de un solo espacio simplemente conexo. En este instante preciso, algunas partes de este espacio se están expandiendo muy deprisa porque contienen materia inflacionaria, mientras que otras partes se están expandiendo más despacio porque en ellas ha cesado la inflación, y otras partes, como la región inmersa dentro de nuestra Galaxia, han dejado de expandirse por completo.

Entonces, ¿la inflación tiene fin? La investigación detenida de la inflación que mencioné con anterioridad evidencia que la respuesta es: sí y no. Termina, pero no termina en el siguiente sentido:

1. En casi todas las regiones del espacio, la inflación acabará terminando en una Gran Explosión como la nuestra.

2. Sin embargo, quedarán algunos puntos del espacio en los que la inflación nunca concluya.

3. El total de volumen inflacionario aumenta eternamente y se duplica a intervalos regulares.

4. El total de volumen posinflacionario que contiene galaxias también crece eternamente y se duplica a intervalos regulares.

Pero ¿significa esto de verdad que el espacio ya es infinito? ¿Cómo pudo crearse un espacio infinito en un tiempo finito? Parece imposible. Pero, como ya he dicho, la inflación es como un espectáculo de magia en el que pasan cosas aparentemente imposibles mediante el empleo ingenioso de las leyes de la Física. De hecho, la inflación puede hacer algo aún mejor y que considero lo más impresionante de todo: ¡Crear un volumen infinito dentro de un volumen finito! En concreto, puede partir de algo menor que un átomo y crear un espacio infinito en su interior que contenga una cantidad infinita de galaxias sin que ello afecte al espacio exterior.

La inflación puede crear un Universo infinito dentro de lo que desde fuera parece un volumen subatómico. Un observador situado en su interior vería el suceso A simultáneo a B, el suceso C simultáneo a D, vería la superficie infinita en forma de U donde acaba la inflación como su tiempo cero, la superficie infinita en forma de U donde se forman átomos como su tiempo cuatrocientos mil años, etc. Para simplificar, esta representación no incluye ni la expansión del espacio, ni dos de las tres dimensiones espaciales.

La figura ilustra cómo ejecuta esta cuestión la inflación.

En ella se ve un corte en el espacio y el tiempo, donde los bordes izquierdo y derecho se corresponden con dos puntos donde la inflación no termina nunca, y el borde inferior equivale a un tiempo en el que toda la zona situada entre esos dos puntos se está inflando. Es difícil dibujar un espacio tridimensional en expansión, así que en la figura no aparecen representadas ni la expansión ni dos de las tres dimensiones espaciales, porque ninguna de esas dos complicaciones repercute en el razonamiento básico. Con el tiempo, la inflación acabará en todas partes salvo en los bordes izquierdo y derecho; la frontera curva ilustra el instante temporal exacto en que finaliza en cada lugar.

Una vez que la inflación cesa en una región determinada, empieza a desarrollarse la historia tradicional de la Gran Explosión, donde un reactor de fusión cósmico a gran temperatura se enfría poco a poco mientras forma átomos, galaxias y, tal vez, observadores como nosotros. Esa es la clave: de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, un morador de una de esas galaxias percibirá el espacio y el tiempo de forma distinta a como las he definido yo mediante los ejes de la ilustración. Nuestro espacio físico no trae marcados los centímetros como una regla, ni este Universo viene con un conjunto de relojes preinstalados, sino que cada observador tiene que definir su propia vara de medir y sus propios relojes, lo que a su vez determina su noción del espacio y el tiempo.

Esta idea puede llevarnos a uno de los razonamientos centrales de Einstein, inmortalizado en la consigna «todo es relativo»: que distintos observadores pueden percibir el espacio y el tiempo de distinta manera. En particular, la simultaneidad puede ser relativa. Para alguien situado fuera de esta región, tendrá sentido definir el espacio y el tiempo como las direcciones horizontal y vertical, respectivamente, tal como se representa en la figura, de manera que los cuatro sucesos que he marcado con círculos ocurren en el orden A, B, C, D. Es más, está claro que B ocurrió antes que D, porque cabe imaginar el envío de un mensaje de B a D y, de forma parecida, A ocurrió claramente antes que C. Pero ¿estamos seguros de que A ocurrió antes que B, teniendo en cuenta que ambos sucesos distan demasiado entre sí en el espacio para que la luz haya tenido tiempo de llegar de uno a otro?

La respuesta de Einstein es que no. En realidad, para los moradores de una de esas galaxias tiene más sentido definir que la inflación acabó en un instante temporal concreto, puesto que el final de la inflación coincide con su Gran Explosión, así que, para ellos, los acontecimientos A y B son ¡simultáneos! Como se ve, la superficie rotulada con «La inflación acaba aquí» no es horizontal. De hecho, es infinita porque se curva como la letra U hacia los bordes izquierdo y derecho de la ilustración, donde aceptamos que la inflación nunca termina.

Esto significa que, en lo que concierne a esos moradores, su Gran Explosión ocurrió ¡en un solo instante dentro de un espacio realmente infinito! ¿Y de dónde salió esa infinitud? Pues, como ve, se coló desde el infinito tiempo futuro disponible a medida que el eje del espacio se curva cada vez más hacia arriba. De manera semejante, esos observadores concluirán que su espacio es infinito en épocas posteriores. Por ejemplo, si desarrollan un experimento basado en el fondo cósmico de microondas para tomar imágenes de su Universo en ciernes cuando solo tenía cuatrocientos mil años de edad, la superficie de plasma que observarán se corresponderá con la superficie de la figura donde los protones y electrones se combinan para convertirse en átomos transparentes (invisibles) de hidrógeno. Como vemos que esta también es una superficie infinita en forma de U, la percepción será que cuando su Universo tenía cuatrocientos mil años de edad era infinito.

Asimismo, pensarán que los acontecimientos C y D son simultáneos, puesto que yacen dentro de la superficie en forma de U en el lugar donde se forman las primeras galaxias, y así sucesivamente. Como podemos acumular una cantidad infinita de estas figuras en forma de U unas dentro de otras, estos seres percibirán que su Universo es infinito tanto en el espacio como en tiempo futuro, aunque todo el encaje perfectamente dentro de una región en su origen subatómica de acuerdo con el observador situado en el exterior. El hecho de que el espacio se expanda en el interior no incrementa necesariamente la cantidad de espacio que ocupa todo ello visto desde el exterior: recordemos que Einstein admite el estiramiento del espacio y la producción de más volumen a partir de nada, sin sacarlo de ningún otro lugar.

En la práctica, este Universo infinito podría parecer un agujero negro subatómico desde el exterior. De hecho, Alan Guth y sus colaboradores hasta exploraron la especulativa posibilidad de realizar este truco ellos mismos en la vida real: creando en laboratorio algo que desde fuera parezca un pequeño agujero negro y que desde dentro parezca un Universo infinito, aunque todavía está por ver si sería posible.

Comencé el análisis de la inflación en este artículo lamentando las respuestas poco satisfactorias que ofrecía la clásica teoría de la Gran Explosión de Fridman para algunos interrogantes básicos, así que ahora acabaré el estudio revisando cómo los responde la inflación:

P: ¿Qué dio lugar a la Gran Explosión?

R: La duplicación reiterada del tamaño de un punto subatómico explosivo de material inflacionario.

P: ¿Ocurrió la Gran Explosión en un solo punto?

R: Casi: comenzó en una región del espacio mucho más pequeña que un átomo.

P: ¿En qué lugar del cosmos se produjo la Gran Explosión?

R: En esa región diminuta, pero la inflación la estiró hasta que alcanzó el tamaño aproximado de una

canica y creció tan deprisa que la expansión subsiguiente la volvió mayor que todo el espacio que vemos en la actualidad.

P: ¿Cómo pudo nuestra Gran Explosión crear un espacio infinito en un tiempo finito?

R: La inflación produce una cantidad infinita de galaxias al continuar para siempre. De acuerdo con la relatividad general, un observador situado en una de esas galaxias verá el espacio y el tiempo de manera distinta, de forma que percibirá el espacio como si fuera infinito ya desde el momento en que finalizó la inflación.

En resumen, la inflación ha transformado de manera radical la visión que tenemos de nuestros orígenes cósmicos al reemplazar los incómodos interrogantes irresueltos del modelo de la Gran Explosión de Fridman por un mecanismo simple que da lugar a la Gran Explosión casi a partir de la nada. Asimismo, nos ha aportado más de lo que le pedíamos: un espacio que no solo es inmenso, sino posiblemente infinito, con una cantidad infinita de galaxias, estrellas y planetas. Y esto no es más que la punta del iceberg.