domingo, 12 de octubre de 2014

Multi Multiverso


Cartel del evento. Sí, es en serio.
Esta semana ha tenido lugar el encuentro "Fine-Tuning, Anthropics and the String Landscape" albergado por el Instituto de Física Teórica (Universidad Autónoma de Madrid-CSIC). El evento ha congregado a físicos de la talla de Alan Guth, Lisa Randall y Raphael Bousso. El tema principal ha sido la teoría del multiverso, tanto desde el ámbito de la cosmología como desde la teoría de cuerdas.
Algunos medios nacionales se han hecho eco de la noticia, como El País.

El big bang y sus problemas

Las observaciones de Edwin Hubble sobre la recesión de las galaxias distantes llevó a Georges Lemaître a postular la teoría que el llamó del "huevo cósmico" (que recibió el calificativo despectivo de "Big Bang" por Fred Hoyle, autor de la teoría rival del universo estacionario). Dando marcha atrás en el tiempo, todo el Universo ocuparía un volumen minúsculo y tendría una temperatura inimaginablemente alta. Sin embargo el modelo del Big Bang presenta algunas discrepancias respecto de los datos observacionales, expuestos por Yakov Zel'dovich:
  • Planitud: La Teoría de la Relatividad General describe la atracción gravitatoria como el movimiento en un espacio-tiempo curvado, cuya curvatura está producida por la concentración de energía (para la mayor parte de los cuerpos, la principal contribución a la energía procede de su masa a través de la famosa ecuación de Einstein \(E = m c^2\), con lo cual se recupera la descripción newtoniana). Las observaciones de misiones espaciales como WMAP o Planck apuntan a que, a escalas cosmológicas (es decir, distancias tan grandes que incluso las galaxias son despreciables), el espacio-tiempo es prácticamnete plano. El problema es que las ecuaciones de Einstein dictan que la curvatura nula es una situación de equilibrio inestable. Por lo tanto, para que hoy observemos un Universo prácticamente plano, en el comienzo la curvatura sería nula con una precisión muy elevada (unas quince cifras decimales!). Aunque en principio no hay nada que prohiba unas condiciones iniciales tan peculiares ("fine-tuning"), no es una solución demasiado elegante desde el punto de vista físico.
  • Horizonte: La radiación más antigua que podemos observar es el Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Fue producida cuando el Universo tenía 380000 años, cuando la temperatura bajó hasta permitir que los electrones y los núcleos formaran átomos neutros. La radiación sigue un espectro de un cuerpo negro a 2.7K. La radiación es homogénea en todo el cosmos, con las diferencias entre regiones frías y calientes del orden de \(10^{-5}\)K (el estudio de estas inhomogeneidades es la fuente de información principal sobre la estructura y composición del Universo). Esto supone un gran problema: ¿cómo es posible que puntos que distaban entre sí más de 380000 años-luz estén a la misma temperatura?¿Cómo han establecido el equilibrio térmico a una velocidad mayor que la velocidad de la luz?
    Fluctuaciones de temperatura del CMB, captados por el satélite WMAP.
  • Monopolos magnéticos: Los monopolos magnéticos son unas hipotéticas partículas en las que las líneas del campo magnético nacerían o morirían. La primera motivación para postular la existencia de los monopolos fue hacer que los campos eléctricos y magnéticos tuvieran roles análogos en las ecuaciones de Maxwell. Posteriormente Paul Dirac investigó uno de los modelos más simples de monopolo, un solenoide semiinfinito (cuerda de Dirac), y descubrió que la existencia de monopolos (aunque fuese uno solo en todo el Universo) sería suficiente para explicar la cuantización de la carga eléctrica. Zel'dovich descubrió que durante el Big Bang debían producirse un gran número de monopolos magnéticos muy masivos por motivos topológicos.

Entramos en un periodo inflacionario

 Esto puede sonar al titular de cualquier sección de economía, pero no es así. La inflación cósmica es la solución que propuso Alan Guth a todos los problemas que planteaba el Big Bang. La idea es simple: durante las primeras fracciones de segundo del Universo, una pequeña región sufrió una expansión acelerada (exponencialmente), que hizo que las distancias se multiplicaran por un factor \(\sim e^{60}\) (un uno seguido de 26 ceros). 
Al hacer semejante aumento, cualquier posible superficie curva se aproxima con una gran precisión por un plano, con lo que un Universo inicialmente plano ya no es una inmensa casualidad, sino que es inevitable. Si la región que sufre la inflación era originariamente lo suficientemente pequeña, podía haber alcanzado el equilibrio térmico, lo cual se mantiene durante la inflación y explica la uniformidad que observamos. Finalmente, la inflación produce que los monopolos magnéticos se diluyan a tal extremo que, según las predicciones teóricas, solamente habría un monopolo magnético topológico en todo el Universo visible (encontrarlo sería como encontrar una aguja en un pajar... bueno, del tamaño de Universo).
Andrei Linde (izquierda) y Alan Guth (derecha) fotografiados - a traición - por Max Tegmark
Hay numerosos modelos que pretenden explicar la causa de la inflación, muchos de ellos propuestos por el propio Alan Guth y por Andrei Linde. La idea básica detrás de todos ellos es la existencia de un campo escalar, el inflatón, que sufre una transición de fase durante la cual libera la energía que produce la inflación. Según la energía potencial del campo, se consiguen distintas dinámicas: transiciones de primer orden, de segundo orden, slow-roll...

Las pequeñas fluctuaciones del CMB que hemos comentado antes permiten, entre otras muchas cosas, caracterizar el mecanismo de la inflación: las observaciones del satétite Planck sobre la distribución de las inhomogeneidades permite descartar algunos de los primeros modelos inflacionarios. Además, la inflación predice que debe existir una signatura en la polarización de la radiación del CMB, los modos B, que no se puede producir por ningún otro fenómeno cosmológico (pero sí astronómico...). El pasado mes de marzo, el experimento BICEP2 comunicó la detección de esta señal. Sin embargo, se desconoce qué proporción se puede deber al ruido provocado por el polvo galáctico. En unos meses, el satélite Planck publicará resultados al respecto, que podrían aclarar la cuestión. De confirmarse la existencia de los modos B cosmológicos, supondría una confirmación del paradigma inflacionario (y posiblemente un Nobel para Guth y Linde).

Inflando burbujas

La mayoría de los modelos inflacionarios presentan una característica conocida como inflación eterna. Los mecanismos de inflación no se detienen en todos los lugares a la vez. Al contrario, solo se detienen en una pequeña región, lo que se conoce como Universo burbuja, mientras que a su alrededor la inflación continua. A medida que avanza el tiempo, aparecen más y más burbujas inmersas en una región inflacionaria. 
Una de estas burbujas es lo que conocemos como nuestro Universo. En principio, cada burbuja está desconectada causalmente del resto, no puede comunicarse con ellas, a no ser que se dé el improbable fenómeno de la colisión entre burbujas.
 En todas las burbujas las leyes de la física serían iguales, pero no así los parámetros cosmológicos: en algunos de los Universos burbuja no se darían las condiciones necesarias para la formación de galaxias y estrellas. Aún no está claro cómo de frecuentes son, o no tan siquiera si tiene sentido la pregunta, si es posible aplicar la estadística a un conjunto de infinitos elementos (problema de la medida). Lo único claro es que debe existir, al menos, un Universo en el que esto suceda (principio antrópico débil).
El multiverso según The Scientific Cartoonist


Para más información...

Alan H. Guth: Eternal Inflation.