Post Scriptum: Más allá del Modelo Estándar

[índice de contenidos de cosmología]: [resumen][introducción] [el principio cosmológico] [el universo en expansión][El significado de la expansión][La dinámica de la expansión y el problema de la masa oscura][El universo primitivo] [Conclusiones][Poscriptum][Bibliografía]

Universos inflacionarios.

    La idea de que el universo sufrió una fase de rápido crecimiento exponencial antes de alcanzar la dinámica de expansión lineal característica de la actualidad ha sido la idea más influyente de los últimos 20 años en el estudio de los primeros instantes del Universo.
    A finales de los setenta, Alan Guth era un físico de partículas que se encontró con un problema observacional. El Modelo Estándar combinado con los recientes avances en la física de partículas implicaban un universo lleno de monopolos magnéticos, y sin embargo, nadie había visto nunca uno. La solución era diluir esta inmensa cantidad de monopolos en un universo que se inflara en un factor muy grande, de unas 1030 veces o más en tiempos del orden de unos 10-35 s. La idea fue rápidamente aceptada por tres razones fundamentales. Primero, es consistente con el Modelo Estándar del Big Bang y con los modelos de Gran Unificación de las interacciones fundamentales; Segundo, daba una explicación razonable a algunos hechos que eran simplemente asumidos de manera ad hoc en la visión estándar clásica.
    El más destacable de estos hechos es la casi perfecta homogeneidad del universo. Si miramos en dos direcciones opuestas del cielo, el fondo de microondas nos dice que estas regiones estuvieron a la misma temperatura con una precisión de algunas partes en cien mil cuando no estaban conectadas causalmente, es decir, cuando la luz no había tenido tiempo de viajar entre una región y la otra. El problema es entonces, ¿cómo se parecen tanto si no han podido intercambiar información entre ellas?. A veces se conoce a este hecho como problema del horizonte cosmológico. Inflación da una explicación en principio satisfactoria, pues la aparente desconexión causal se debe a la inmensa tasa de crecimiento del universo en los primeros instantes de su evolución.
    En tercer lugar, la inflación es contrastable a través de la observación, pues predice un valor de la densidad del universo exactamente igual a la densidad crítica (que de paso resuelve el conocido como el problema de la curvatura nula) y da una forma definida para el espectro de las fluctuaciones de la temperatura del fondo cósmico de microondas (aunque éste depende del modelo de inflación que se escoja).

    Pero detrás de la idea de inflación hay mucho más que todo esto. El siguiente problema básico al que se enfrenta el modelo es explicar el mecanismo que produjo esta tremenda tasa de expansión. La respuesta es el "falso vacío". En teoría cuántica de campos el vacío está lleno de partículas virtuales que se crean y aniquilan continuamente. En determinadas condiciones de alta energía (tal y como sucedió en los primeros momentos de vida del universo) se pudo crear un estado especial de vacío con una densidad de energía del orden de 1060 veces la de la materia nuclear. Alan Guth se ha interesado en cómo se comportarían las burbujas de "falso vacío" en nuestro universo. La respuesta que ha obtenido es bastante sorprendente (y lejos de ser contrastable bajo ningún tipo de experimento que se pueda realizar en la actualidad). La burbuja se expandiría hasta formar un nuevo universo. Pero, afortunadamente, no lo haría en nuestro espacio-tiempo, sino que crearía lo que los teóricos conocen como un agujero de gusanos y se deslizaría a través de él, desconectándose de nuestro universo en una fracción de tiempo ridículamente pequeña (unos 10-35s). Esto ha dado lugar a la idea bastante especulativa de un Metauniverso o Multiverso compuesto de un número infinito de universos burbuja, cada uno de los cuales tendría sus propias característica e incluso valores diferentes de las constantes físicas.

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Las constantes de la física y elprincipio Antrópico.

    Desde que en 1919 Hermann Weyl señalara la gran diferencia en magnitud de la fuerza gravitatoria con respecto a la electromagnética, esto es ~1040 , mucha ha sido la especulación sobre el significado de esta cantidad y su conexión con otros números que aparecen en cosmología y microfísica. Un ejemplo interesante es la relación existente entre la vida de una estrella típica y el tiempo que tarda la luz en atravesar una distancia equivalente al radio de un nucleón (una posible elección de tiempo característico de los procesos nucleares), que es otro número sin dimensiones del mismo orden de magnitud de ~1040: ¿una mera coincidencia?.

    En 1961, R. Dicke señalaba que la diferencia de magnitudes de las fuerzas electromagnética y gravitatoria tenían que ser de este orden de magnitud para que las estrellas de la secuencia principal (a la que pertenece nuestro Sol) tuvieran suficiente tiempo de vida para generar los elementos químicos pesados como el carbono. Por lo tanto, la coincidencia numérica anterior es el resultado de vivir en un universo donde existen elementos pesados. Si la gravedad fuera mucho más intensa, las estrellas colapsarían mucho antes de que los procesos nucleares que construyen los elementos pesados hubieran tenido lugar. Pero esto no es todo. Los procesos de síntesis de elementos pesados en el interior de los núcleos estelares dependen de manera precisa de las abundancias de deuterio y helio presentes, producto de las primeras fases del universo. El deuterio, por ejemplo, no existiría si la relación de masas entre el neutrón y el protón fueran ligeramente diferente de la actual. Las abundancias relativas de hidrógeno y helio también dependen de este parámetro y de un delicado ajuste de las magnitudes relativas de las interacciones gravitatoria y débil. Una interacción débil más potente, y el universo sería un cien por cien de hidrógeno, un poco más débil y todo sería helio.

La conclusión de todo esto es que la evolución de la vida depende de una manera crítica de las magnitudes de las diferentes fuerzas y masas. Cambiando ligeramente alguno de esos parámetros parecería que la diversidad actual de elementos químicos se iría al traste. Esto ha llevado a algunos a proponer una idea que se conoce como Principio Antrópico. La versión fuerte de este principio nos dice que "El universo debe tener las propiedades adecuadas que permitan el desarrollo de la vida en algún momento de su historia". Pero esto representa un cambio demasiado radical respecto al concepto clásico de lo que entendemos por una explicación científica, asemejándose más a la tradicional visión religiosa. Un poco más aceptable podría ser una versión más débil de este principio que podríamos enunciar como: "Los valores observados de todas las cantidades físicas y cosmológicas no son igualmente probables, sino que toman valores restringidos por el requisito de que existan lugares donde pueda evolucionar la vida basada en el carbono y por el requisito de que el universo sea lo suficientemente viejo para que esta evolución ya haya ocurrido de hecho". En el modelo clásico del Big Bang algunas coincidencias no tienen una explicación natural obvia. Pero la idea, proveniente de los modelos inflacionarios de un Multiverso formado por un número infinito de universos burbuja convierte al Principio Antrópico en su versión débil en un mecanismo selectivo: vivimos en uno de los universos que permite la aparición de las formas biológicas complejas de una serie de infinitos universos donde se dan todos los posibles valores de las constantes físicas.

    Algunos defienden incluso la existencia de universos con leyes de la física diferentes. Aún dentro del terreno especulativo en el que nos hemos adentrado considero personalmente que, al fin y al cabo, todas estas ideas han salido de la única física que conocemos, por lo que no hay ninguna razón para pensar que en algún lado podrían existir leyes diferentes.

    Por último, como señala el físico Victor J. Stenger, los defensores del Principio Antrópico en su versión fuerte no tienen en cuenta que los universos donde existen posibilidades de formación de complejidad no son tan improbables como podría parecer a priori. Stenger ha escrito un programa para crear universos de juguete con algunas constantes físicas diferentes. El lector puede entretenerse jugando con ellos en la web de Stenger y verificar personalmente hasta qué punto la afirmación de Stenger es consistente con los datos obtenidos.

Detalles actualizados en Pedro J. Hernández 2000

¿Y Dios qué pinta en todo esto?

    En 1951, el papa Pío XII declaraba "la ciencia nos ha provisto de la prueba del principio del tiempo... por lo que la creación tuvo lugar. Por lo tanto tiene que haber un creador; por tanto, Dios existe". Por supuesto que el Papa se estaba refiriendo al modelo del Big Bang

    En 1992 el satélite COBE nos proporcionó la primera confirmación de la existencia de fluctuaciones en la temperatura del fondo cósmico de radiación, que explican asimismo las variaciones de la densidad de materia cuyo colapso gravitatorio terminaría formando las estructuras galácticas que observamos en la actualidad. Mucha gente ha interpretado esto, más que como una confirmación de la validez del modelo físico, la confirmación de las palabras de Pío XII. Y algunos científicos no están libres de toda culpa de confundir al público con expresiones como "El dedo de Dios" para ciertas estructuras galácticas a gran escala que se observan en los surveys de galaxias, o utilizar expresiones con connotaciones religiosas como "ver la creación" o cosas por el estilo. Smoot, el director del proyecto COBE, en un espectáculo mediático desproporcionado de la NASA, afirmaba, refiriéndose a los mapas de variaciones del fondo cósmico de microondas : "Para un creyente sería como ver el rostro de Dios".

    Bien, todo esto podría quedar como una curiosa anécdota si los creyentes no siguieran al ataque frontal con su visión de una convergencia de las ideas científicas hacia la idea religiosa de la existencia de un creador . Han insistido hasta la saciedad con los argumentos probabilísticos basado en estimaciones como la de Hoyle, que calcula la probabilidad de ensamblaje del DNA por azar en una entre 1040,000, o la de Penrose en su best seller La nueva mente del emperador, que hace lo propio con las características de nuestro universo que calcula en una en una entre 1010123 (¡Sí. 10 elevado a 10123!) .
    Estos cálculos pueden ser muy instructivos en cierto contexto, pero no hay que confundirse con el significado de la probabilidad. ¿Cuál es la probabilidad de ganar a la lotería primitiva?. Si no lo he calculado mal una entre 14 000 aproximadamente. Una persona que haya ganado a la lotería puede estar en el mismo circunloquio que los partidarios del argumento de la improbabilidad de nuestra existencia azarosa. ¿Qué tengo yo (ganador de la lotería) de especial para que me haya tocado justo a mí?. Bueno, si tenemos en cuenta que mucha gente ha jugado, a alguien tenía que tocarle alguna vez. ¿Cómo trasladamos esto al caso del universo?. Bien, ahí es donde entra la hipótesis de los muchos universos en el Multiverso de inflación. Cada universo ha hecho una apuesta. Hay tantos universos jugadores a la gran lotería cósmica de la vida que a algunos le ha tenido que tocar. Pero no hace falta ir tan lejos, pues tenemos la firme sospecha de que existen leyes más generales de las que se conocen en la actualidad. Estas leyes podrían indicarnos algo sobre la solución del problema.
    El Principio Antrópico seguirá siendo, durante algún tiempo, el filón del que se alimentarán los creyentes que buscan la justificación de la existencia de Dios en algún lado. Sólo me pregunto cuál será el próximo.

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