Regístrate | Conectar
El Tamiz Libros Recursos Series Únete 17 Users Online
Skip to content

Biografía del Universo 05: Inflando el Universo II




de 10-35 segundos a 10-32 segundos desde el inicio

Recuperamos en la serie Biografía del Universo el hilo del relato interrumpido al final de la entrada anterior, en la que nos habíamos dedicado a analizar qué es lo que le pasó a nuestro biografiado en el momento más o menos t-35 segundos. Y lo que le pasó, o pensamos que le pasó, es que su tejido “corporal” espacio-temporal se vio compelido a un exagerado y rápido “engorde”, que conocemos como una inflación exponencial, gracias al capricho del campo inflatón que optó por mudarse de lugar aprovechando el efecto de tunelaje cuántico. Comentamos también cómo dentro del mundillo de la física había mentes brillantes que estaban estudiando la expansión del Universo, aunque sus conclusiones no satisfacían plenamente lo que realmente parecían observar al levantar la vista al cielo. Alan Guth intentó romper el impasse con una novedosa idea por la que postulaba un proceso de expansión inflacionaria -de velocidad incluso mayor que la de la luz- para el Universo.

Decíamos también en la entrada anterior que… “la idea general de Guth era buena, pero tampoco nos resolvía algún “detalle”. De forma que tuvimos que buscar nuevas teorías que siguieran estando enmarcadas dentro de la general de una expansión exponencial. Aquí entró la intuición del físico teórico ruso-americano Andréi Linde que perfeccionó la idea inicial de la inflación propuesta por Allan H. Guth. Su punto de partida sería la hipótesis de que hubiera una proporcionalidad entre el campo escalar inflatón y su potencial, su energía. Se trataba de una propuesta que no requería de efectos gravitatorios cuánticos, de transiciones de fase, de un super-enfriamiento o de un super-calentamiento inicial. Y, a pesar de ello, el Universo se expandía aún a mayor velocidad“.

Los primeros momentos del recién nacido Universo, que en el intervalo temporal entre t-35 y t-32 segundos desde el inicio duplicó su tamaño unas cien veces.

Antes de continuar, y para entender mejor el razonamiento de Linde, vamos a introducir el concepto de rozamiento en el análisis teórico del campo inflatón (y no sólo del inflatón). Los campos vibran en ondas, cuyas ecuaciones son asimilables a las de los osciladores armónicos (péndulo, muelle…)[1] de forma que, al igual que les pasa a los osciladores, parece que los campos pueden verse afectados por algo parecido al rozamiento. Se ve claramente si comparamos las ecuaciones que definen ambos sistemas -ver abajo-: en los dos aparece un sumando adicional que no existe en las ecuaciones para un sistema sin rozamiento, sumando que es proporcional en un caso -oscilador-, a la derivada primera de la elongación, y en el segundo -campo cuántico-, a la derivada primera del valor del campo, lo que permite ser intuido como que hay algo que debe estar afectando a la velocidad de sus cambios.

Si nos atenemos a la ecuación relativa al campo -la segunda- podemos imaginar al parámetro H como el “factor de rozamiento” del campo al compararlo con el parámetro α, que sí es el factor de rozamiento en el oscilador. A H se le conoce como la constante de Hubble[2] y tiene que ver con las características de crecimiento dinámico del tejido espacio-tiempo del universo. El concepto de “rozamiento” enriqueció la propuesta inflacionaria de Linde, conocida como la “nueva inflación”.

Como ya hemos dicho un poco más arriba, el punto de partida sería la hipótesis de que hubiera un campo en el que se diera una proporcionalidad entre su valor y su potencial, su energía. A mayor campo mayor potencial. Esta idea la aplicó Linde a las ecuaciones de la relatividad de Einstein, las cuales le permitieron deducir la siguiente correlación entre la constante de Hubble y el valor del campo:

Si suponemos que el valor Φ del campo es grande, también lo será el de H, por lo que habrá que pensar que hay mayor “rozamiento”, mayor resistencia al cambio del valor del campo Φ. Lo que nos lleva de la mano, sin cometer un gran error, a que en estas circunstancias su valor lo podamos considerar constante. Si esto es así, la resolución de la primera igualdad de la anterior ecuación es muy sencilla y nos dice que el factor de escala “a” es una función exponencial de H, como expresa la igualdad de más abajo. A mayor valor del campo Φ mayor valor de H y, por tanto, mayor rapidez de crecimiento del universo. Aumenta la velocidad de crecimiento del universo y disminuye la velocidad de variación del campo -recordemos que para el campo, H es equivalente a un rozamiento- en su búsqueda de mínimos energéticos[3].

Factor de crecimiento del universo a(t) = e Ht

Lo cual dibuja una expansión mucho más brutal en el tiempo que la que se postulaba en la teoría de inflación de Guth. Un exponente directo del tiempo frente a un exponente de la raíz cuadrada del tiempo.

Ante esta circunstancia física, Linde se planteó la siguiente posibilidad: ¿Y si eso es lo que realmente pasó en los inicios, cuando el campo inflatón comenzaba su excursión desde el falso mínimo al mínimo energético verdadero? Con ello había encontrado un posible proceso -teórico- del que se deducía una gran inflación experimentada por el Universo a partir del tiempo t=10-35 segundos, con la que solucionaba algunas de las nieblas que aún dejaba la teoría de Guth. De una forma muy intuitiva lo explica él mismo mediante el siguiente diagrama:

Esquema de las características y comportamiento del campo inflatón según Andréi Linde[4] (Imagen: Andréi Linde, fair use)

A continuación voy a exponer lo que podemos deducir en la imagen anterior de la función de estado del campo inflatón, tal como lo propone Linde. La capa más alta del diagrama discurre en un Universo espuma (space-time foam). A partir de ahí al campo inflatón, representado por una bolita roja, no le queda más remedio que acomodar su valor a la temperatura del momento, progresivamente más fría. Lo cual nos hace imaginar algo así como que la bola “inflatona” “cae” por la pendiente de la parábola. Ya sabemos  que es efecto de las incertidumbres cuánticas y su efecto túnel. De acuerdo a esta curva y siguiendo el proceso temporal físico a lo largo de esta “caída”, la evolución del universo parece llevarse a cabo a través de tres episodios separados, aunque secuenciales en el tiempo:

(a) Saliendo del estado de universo espuma. En sus tramos más energéticos[5] el potencial disminuía muy lentamente, como si hubiera un gran rozamiento teórico, de forma que al campo inflatón le costaba más el deslizarse cuesta abajo en su excursión hacia el mínimo del verdadero vacío. Esto le hizo permanecer durante mucho tiempo en este estado casi estacionario, sin que variase mucho su valor de campo y de potencial. Como ya hemos comentado unos párrafos más arriba, eso se tradujo en una gran constante de Hubble y, por tanto, en una expansión exponencial del Universo a lo largo de todo este periodo. Se demuestra matemáticamente que, a la vez, se estaban produciendo unas fluctuaciones cuánticas de alto nivel.[6] Pero esto es harina de otro costal. La realidad que ahora nos interesa es que mientras se está produciendo este periodo de expansión exponencial característico de la inflación, se está produciendo un colosal “embalsamiento” de energía en el tejido de un campo[7] que está incrementando su volumen de forma exponencial mientras se mueve en unos máximos de potencial que lo van a ir permeando.

(b) Tras la zona inicial de descenso, en donde el efecto de la presión negativa -hablaremos de ello más adelante- y la expansión exponencial es mayor, entramos en la zona naranja de la curva de Linde. El potencial empieza a cambiar mucho más rápidamente, siendo la transición a la zona morada muy corta, transición a lo largo de la cual se generan en nuestro Universo en expansión fluctuaciones cuánticas más pequeñas. Su distribución espacial va a ser el patrón de distribución de masa en el futuro del mismo. De esto hablaremos también en otra entrada.

Generación de fluctuaciones cuánticas. Pinchar la imagen para ver la animación (Imagen, fair use)

(c) Fase de recalentamiento. Por último, al acabarse la inflación exponencial, el inflatón se adentra en la zona de reposo, acunándose alrededor del punto de mínima energía. En estos momentos creemos que aparece una nueva generación de campos y el universo pasa de un estado vacío, oscuro y frío -con relación a lo que venía después-, a todo lo contrario. La inmensa energía potencial embalsada gracias al campo inflatón durante la expansión se transforma en eso, en cantidades ingentes de partículas de masas del orden de hasta 1014 GeV y radiación del mismo orden energético, alcanzando la temperatura los 1029K. El universo había desembalsado su energía en el momento 10-32 segundos contados desde el inicio, quedando sólo el impulso inicial para seguir con el proceso expansivo, ahora a un ritmo mucho menor. Y así hasta el día de hoy, que sigue en la labor.

De esta materia y energía generada inicialmente en la última fase de recalentamiento hablaremos en una entrada posterior, cuando comentemos lo que se cree que pueda ser la actual distribución cuantitativa de energía en el universo, en sus diversas manifestaciones. Adelantamos una pincelada al respecto: una pequeña parte está en forma de materia visible, cinco veces más en forma de materia oscura y el resto, un 70%, en forma de esta energía oscura que hace expandirse al tejido espacio-temporal del Universo. Y no tenemos ni idea de lo que pueda ser esta energía oscura. Quizás alguna propiedad interna del sistema en forma de presión negativa. De igual calibre que la que provocó la gran inflación. Explico esto último.

Necesitamos una fuerza impulsora. Y sabemos por lo que dice la relatividad general que al menos hay una, la gravedad, resultado de una deformación del espacio-tiempo, que provoca algo que se aprecia como un impulso-deformación, en este caso atractivo. Según la teoría relativista, esta deformación gravitatoria no sólo la produce la energía, o su equivalente, la masa, sino también la presión. La presión no sólo realiza una fuerza de empuje por ella misma, sino que también puede deformar el espacio-tiempo generando un efecto gravitatorio. Dos caras de una moneda.

Si consideramos a la presión en su forma más cotidiana e intuitiva -la que nos afecta en nuestras experiencias- puede ser de tipo positivo, cuando sentimos su empuje, o negativa, cuando sentimos una tensión que atrae. Nos percatamos de este último tipo de presión, por ejemplo, cuando mantenemos a un muelle estirado entre las dos manos, ya que en su estructura material lleva implícita una energía de “aproximación”.

Vista la presión desde esta perspectiva, se trata de una energía no gravitacional que solamente mueven substancias en torno a un espacio interior sin cambiar el espacio en sí. Sin embargo, según las ecuaciones de la relatividad, la influencia que ejercen sobre la gravedad curiosamente SÍ afecta al espacio interior, sorprendentemente en sentido contrario a lo intuitivo. Así que la presión positiva de un sistema genera sobre sus estructuras un efecto gravitatorio de atracción, mientras que la tensión, o presión negativa genera en sus estructuras una gravedad negativa o de repulsión.

Ahí encontramos una causa de la fuerza expansiva. En una presión negativa. Algunos prefieren llamarla “smooth tension” o “tensión lisa”, por tratarse de una tensión de bajo valor que además está distribuida uniformemente por todo el tejido del Universo. Ni más ni menos que lo que decíamos de la presión negativa del campo inflatón en la anterior entrada de esta serie. Una circunstancia física que nos permite enlazar en la realidad del Universo la causa, una “smooth tension”, con el efecto, su expansión.

Sí, esto es lo que se cree que sucedió entre el momento t=10-35 segundos desde el hipotético inicio del tiempo, fijado en el momento de la ficción matemática que llamamos singularidad inicial, y el momento t=10-32 segundos. Pero lo más sorprendente fue el ritmo: cada 10-34 segundos el Universo doblaba su escala, es decir, aproximadamente desde el momento 10-35 segundos al 10-32 segundos dobló su tamaño ¡100 veces! ¡Un factor de crecimiento superior a 1030 (~ 2100)! ¡Desde 10-20 veces el tamaño de un protón hasta el tamaño de una naranja de 10 centímetros! ¡y todo en menos de 10-32 segundos![8] La luz tarda 1022 veces más en recorrer el tamaño de esta expansión. Y esto no va en contra de que nada puede viajar más deprisa que el límite que impone el valor de la velocidad de la luz en el vacío, 300.000 km/seg. Simplemente lo que sucede es que ha dado de sí el tejido espacio-temporal que creció a velocidades de vértigo.

Para completar, y antes de terminar la entrada, creo que va a ser ilustrativo el responder una última pregunta. La masa -energía- de Planck, la del teórico micro-universo inicial, era de unos 10-5 gramos, con una densidad de 1094 gramos por centímetro cúbico. Hoy en día la energía total de la radiación observada en el Universo es equivalente a 1053 gramos. ¿De dónde ha salido toda la energía -materia y radiación- que vemos en el Universo?

Como desde la época de Planck esta radiación se ha enfriado 1032 veces, la energía que hoy vemos exigiría que en el momento de Planck hubiera una de al menos 1085 gramos (1032x1053) ¡pero sólo teníamos 10-5 gramos en nuestra burbuja inicial! La solución al dilema “imposible” la obtenemos de la inflación exponencial, que tendió el puente que enlaza ambas energías. Si en la escala de Planck había una energía de 10-5 gramos y ésta es la que fija el valor del campo escalar inflatón[9] que permaneció casi constante durante la expansión exponencial de factor lineal 1030, es fácil pensar que a lo largo de este proceso dicho campo inflatón embalsara energía hasta el orden de 10-5 x 1030 x 1030 x 1030 = 1085 gramos, para posteriormente y durante la fase del recalentamiento transformarla en materia y radiación. ¿Casualidad en la coincidencia de los números? Seguramente lo que pasó no fuera exactamente así, pero me quedo con el matiz, y éste me dice que la teoría de la inflación es bastante inteligente.

Hasta aquí con la teoría de la fase inflacionaria del Universo. En la siguiente entrada nos adentraremos en algunos aspectos cosmológicos que la inflación nos ha ayudado a entender mejor. O eso creemos. Hasta entonces.

  1. Para una mayor comprensión recomiendo seguir esta serie de artículos del blog “Of particular significance”. []
  2. Edwin Hubble descubrió que las galaxias en el Universo se separan unas de otras, a mayor velocidad cuanto más alejadas están unas de otras. Actualmente una galaxia situada a una distancia de 3,26 millones de años luz se alejaría de nosotros a una velocidad de unos 70 km/s. Al factor de proporción entre la velocidad de desplazamiento y la distancia se le conoce como constante de Hubble. []
  3. Ver este extracto de una conferencia de Andréi Linde hablando del tema. Con un poco más de detalle, la transcripción de la conferencia, aunque en ruso. Pero para esto está Google translator []
  4. OJO, no pensemos esta curva como inmersa en un campo gravitatorio, aquí no cae nada. Simplemente hay que imaginar como si la parte alta fuera más “pegajosa”, realmente que tiene más rozamiento, y por tanto inflatón permanece deslizando por esa zona alta un buen tiempo []
  5. En al parte alta de la curva. []
  6. Para entendernos con lo último, esto se traduce en que en determinadas zonas del tejido espuma espacio-temporal de nuestro universo en expansión quedaría una energía potencial capaz de hacer renacer el proceso, creando a partir de las fluctuaciones cuánticas de alto nivel un nuevo universo. Ver esta presentación resumen de una conferencia de Linde []
  7. Me atrevo a definir la dualidad “espacio-tiempo + inflatón” también como un campo cuántico. []
  8. La alegoría de la naranja está extraída del libro de John Gribbin “Biografía del Universo”, edición Drakontos Bolsillo 2011, página 72, aunque allí habla de un pomelo. De la misma publicación sale el dato del factor de inflación de 1030 aunque en esto hay muchas opiniones, incluso 1050 como proponen Eric Chaisson y Steve McMillan en su libro ”Astronomy today“ []
  9. En el texto de la anterior entrada la habíamos concretado en el parámetro E0, energía del campo inflatón en el punto de falso vacío. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 4 } Comentarios

  1. Gravatar ghael | 20/04/2017 at 02:29 | Permalink

    “es fácil pensar que a lo largo de este proceso dicho campo inflatón embalsara energía hasta el orden de 10-5 x 1030 x 1030 x 1030 = 1085 gramos”. esta parte es demasiado importante como para pasarla por alto ; este atributo de acumular tamaña cantidad de energía es solamente del campo inflatón ? (al menos de lo conocido) . posterior a ello el campo higgs le entrega masa a una parte de esa energía embalsada por el inflatón? si fuera posible te pudieras explayar un tantico en ese acto de magia del paso de esos ínfimos gramos a todo lo que tenemos actualmente , va relacionado con esa característica que todos los campos tienen con sus estados mínimos y máximos de energía ? y que particularmente el campo inflatón lo utilizó para ese embalse de energía? . gracias de antemano y espero que continues con esta nueva biografía por un buen tiempo , ya que hay muuuuuucho material de aquí en adelante.

  2. Gravatar jreguart | 21/04/2017 at 09:26 | Permalink

    Hola Gahel,

    realmente parece magia como tu comentas. Pero creemos que no lo es… tenemos ideas suficientemente serias como para asegura esto último que digo. Y no es que lo diga yo sino físicos experimentados y reconocidos por la comunidad científica. De todas formas no tenemos que perder de vista que en el conocimiento del Universo primigenio nos movemos completamente en el plano teórico. Tenemos grandes formas de estudiar y explicar el mundo… pero no tenemos la tecnología como para comprobar lo que pudo pasar a altas energías. Y sin embargo podemos movernos en un nivel alto de confianza, la probabilidad de que estemos en lo cierto no es despreciable, ya que lo que nos dice la teoría nos explica perfectamente lo que observamos a nuestro alrededor. Pero no perdamos de vista que estamos en un campo y un momento de planteamiento teórico.

    Dicho esto te recuerdo lo que ya quedó escrito en alguna entrada, no sé si en esta o en alguna anterior, que la magia queda explicada gracias a la gravedad. Es bien cierto que vemos a nuestro alrededor energía en sus más variadas manifestaciones y es lo que nos hace preguntarnos ¿de dónde salió si todo empezó, pensamos, en el nimio mundo de Planck? La explicación nos la da también la física y es que la propia aparición del Universo llevo emparejada la de la gravedad con su energía negativa -no hay que hacer trabajo positivo, de “esfuerzo”, para traer una masa desde el infinito hasta nuestra masa sino que es un trabajo “relajado”, negativo, que realiza la propia gravedad-. De forma que físicamente la energía negativa de la gravedad al ser igual en su conjunto a la energía positiva de la “materia” hace que la energía del Universo sea cero. Con esto quedaría cerrada la magia de la cantidad de energía total que sería igual a cero pelotero. Este es un problema. Pero hay más incógnitas en las que interviene la energía que aparece como “materia”, que en nuestro Universo la hay a raudales aunque con una densidad muy pequeña ¿Cómo surgió esta energía?

    En la mejor explicación que tenemos entra el campo inflatón. De nuevo no perdamos de vista que es una explicación teórica… pero ¡qué demonios! nos explica de forma muy ajustado lo que vemos a nuestro alrededor. La probabilidad de acertar no es de un teórico 100% pero podemos pensar con toda tranquilidad que debe ser elevada. Aunque, repito, el campo inflatón es teórico y ni de lejos podremos con nuestras tecnologías detectar su partícula característica lo que nos daría la pista de su existencia. Al igual que paso con Higgs. Y como buen campo teórico, los físicos que lo idearon le dieron una ecuación de onda determinada que explicara lo que andaban buscando con este campo. Guth de una forma, Linde de otra, parecida pero de otra. Necesitábamos algún proceso físico por el que el Universo hubiera crecido de forma inimaginable para poder explicar cosas inexplicables que veían a su alrededor. De forma que postularon un campo que diera base física a lo que se necesitaba: el inflatón. La dinámica del inflatón está explicada en la entrada, pero podemos imaginar que por sus características al irse expandiendo -aún no de forma exponencial- y enfriando el Universo -y en él el propio campo inflatón- su energía potencial, en su obligado camino hacia la búsqueda de mínima energía, inicialmente se mantenía prácticamente constante. Esta energía potencial elevada y prácticamente constante del campo inflatón en todo el Universo era energía del propio tejido del Universo. Es decir, que se estaba embalsando de forma general una energía que surgía del inflatón y que gracias a la gravedad imaginamos que el proceso no era mágico. Esta inyección de energía continua alteraba la dinámica del Universo -de acuerdo a las ecuaciones de la relatividad- generando un factor de expansión exponencial, lo que arrastró un embalsamiento también exponencial de energía en el tejido del Universo. Del poco potencial puntual del inflatón se había llegado a una fantástica cantidad de energía absoluta en el Universo. Pero no olvidemos que el inflatón seguía su teórica dinámica mientras el Universo se expandía. Y esta dinámica dice que su potencial iba disminuyendo cada vez a mayor velocidad, de forma que el proceso de embalsamiento de energía se frenó y la expansión se frenó. La tremenda inercia de este proceso hizo que la energía almacenada en el Universo se manifestara en otro tipo de campos generadores del mundo de partículas “materiales” al que estamos acostumbrados. Y sí… con el inflatón tenemos bastante para los procesos que estamos comentando.

    El campo de Higgs estaría seguramente por ahí, pero en los niveles de energía que nos movemos su partícula tendría una existencia muy corta, tanto que no le daría tiempo a interactuar con los campos de partículas confiriéndoles la propiedad “masa”. De todas formas no nos confundamos ya que creemos que el procedimiento de conferir masa a través de Higgs no era el único. Higgs da masa exclusivamente a leptones, quarks y los bosones de la interacción nuclear débil, y en aquellos momentos del Universo cohabitaban con ellos otro tipo de partículas, además de las mencionadas. Entre otras las X e Y que intervienen teóricamente en el decaimiento del protón, o las que conforman la materia oscura. Posiblemente todas con una gran masa

    Espero haber dado un poco más de luz. Aunque no lo tengo muy claro. Se admiten colaboraciones…

  3. Gravatar fernan | 22/04/2017 at 08:24 | Permalink

    estoy por convencerme que los campos y sus dinámicas son más importantes que sus partículas asociadas, en la divulgación científica siempre se menciona a las partículas y sus propiedades y son las estrellas principalmente en el mundo no tan científico , pero si no fuera por los campos que nos rodean invisiblemente nada de esto existiría . probablemente esté diciendo algo muy obvio , pero leyendo esta serie lo he entendido así . gracias por la serie y espero que continúe.

  4. Gravatar jreguart | 22/04/2017 at 09:09 | Permalink

    Hola Fernan,

    en física cuántica los campos cuánticos relativistas lo son todo. Las partículas no son más que el reflejo de excitaciones energéticas de los mismos. Según el campo cuántico de que se trate hay una frecuencia mínima de oscilación que es la que define la masa de la partícula asociada. Decimos que las partículas interactúan de una u otra manera porque los campos están acoplados entre ellos con una determinada intensidad u otra. Todo ello definido en sus ecuaciones de onda.

    Si estás más interesado en este tema te recomiendo este artículo -en inglés- donde se explica con cierta claridad apta para medio profanos. https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/fields-and-their-particles-with-math/7-particles-are-quanta/

    Y gracias por tus palabras. La serie continuará y se acabará, aunque nos caiga el cielo sobre nuestras cabezas.

Escribe un comentario

Tu dirección de correo no es mostrada. Los campos requeridos están marcados *

Al escribir un comentario aquí nos otorgas el permiso irrevocable de reproducir tus palabras y tu nombre/sitio web como atribución.