La teoría de la inflación: Resolviendo los Problemas de Planitud y Horizonte del Universo

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Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

Al tratar de entender el universo, quedaban dos problemas principales: el problema de la llanura y el problema del horizonte. Para resolver esto, la teoría del Big Bang es modificada por la teoría de la inflación, que establece que el universo se expandió rápidamente poco después de su creación. Hoy en día, los principios que constituyen el núcleo de la teoría de la inflación tienen un profundo impacto en la forma en que muchos físicos ven la teoría de cuerdas.

Estos dos problemas se pueden expresar simplemente como:

  • Problema de horizonte: El CMBR es esencialmente la misma temperatura en todas las direcciones.
  • Problema de planitud: El universo parece tener una geometría plana.

Los problemas del universo: Demasiado lejos y demasiado plano

El problema del horizonte (también llamado a veces el problema de la homogeneidad) es que no importa en qué dirección mires en el universo, básicamente ves lo mismo (ver la siguiente figura). Las temperaturas de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR) en todo el universo son, a un nivel de medición muy alto, casi exactamente la misma temperatura en todas las direcciones. Este no debería ser el caso, si lo piensas más detenidamente.

Si miras en una dirección en el espacio, estás mirando hacia atrás en el tiempo. La luz que golpea su ojo (o telescopio) viaja a la velocidad de la luz, por lo que fue emitida hace años. Esto significa que hay un límite de 14.000 millones de años luz en todas las direcciones. (El límite es en realidad más lejano porque el espacio en sí mismo se está expandiendo, pero puede ignorarlo para los propósitos de este ejemplo). Si hay algo más lejos que eso, no hay forma de que se haya comunicado con nosotros. Así que usted mira hacia afuera con su poderoso telescopio y puede ver el CMBR a 14 mil millones de años-luz de distancia (llame a este punto A).

Si ahora miras 14 mil millones de años luz en la dirección opuesta (llama a este punto B), verás exactamente el mismo tipo de CMBR en esa dirección. Normalmente, esto significaría que todo el CMBR del universo se ha difundido de alguna manera por todo el universo, como el calentamiento de un horno. De alguna manera, la información térmica se comunica entre los puntos A y B.

Pero los puntos A y B están a 28 mil millones de años-luz de distancia, lo que significa que, debido a que ninguna señal puede ir más rápido que la velocidad de la luz, no hay forma de que puedan comunicarse entre sí en toda la era del universo. ¿Cómo llegaron a tener la misma temperatura si no hay forma de que el calor se transfiera entre ellos? Este es el problema del horizonte.

El problema de la planitud tiene que ver con la geometría de nuestro universo, que parece (especialmente con la evidencia reciente de WMAP) ser una geometría plana, como se muestra en la siguiente figura. La densidad de materia y la tasa de expansión del universo parecen estar casi perfectamente equilibradas, incluso 14 mil millones de años después, cuando las variaciones menores deberían haber crecido drásticamente. Debido a que esto no ha sucedido, los físicos necesitan una explicación de por qué las variaciones menores no han aumentado dramáticamente. ¿No existían las variaciones? ¿No se convirtieron en variaciones a gran escala? ¿Pasó algo para suavizarlos? El problema de la planitud busca una razón por la que el universo tiene una geometría aparentemente perfectamente plana.

(de izquierda a derecha): Cerrado, abierto y plano”/>Tres tipos de universos (de l. a r.): Cerrado, abierto y plano.

Estos tres tipos de universos son representaciones simplificadas de la forma en que el espacio se curva naturalmente en el universo:

  • Universo cerrado: Hay suficiente materia en el universo que la gravedad eventualmente superará la expansión del espacio. La geometría de tal universo es una curvatura positiva. (Esto coincidía con el modelo original de Einstein sin una constante cosmológica.)
  • Universo abierto: No hay suficiente materia para detener la expansión, así que el universo continuará expandiéndose para siempre al mismo ritmo. Este espacio-tiempo tiene una curvatura negativa (en forma de silla).
  • Universo plano: La expansión del universo y la densidad de la materia se equilibran perfectamente, por lo que la expansión del universo se ralentiza con el tiempo pero nunca se detiene completamente. Este espacio no tiene curvatura total.

La rápida expansión temprana mantiene las soluciones

En 1980, el astrofísico Alan Guth propuso la teoría de la inflación para resolver los problemas de horizonte y planitud (aunque más tarde se requirieron refinamientos por parte de Andrei Linde, Andreas Albrecht, Paul Steinhardt y otros para que funcionara). En este modelo, la expansión universal temprana se aceleró a un ritmo mucho más rápido de lo que vemos hoy en día.

Resulta que la teoría inflacionaria resuelve tanto el problema de la planitud como el problema del horizonte (al menos a satisfacción de la mayoría de los cosmólogos y astrofísicos). El problema del horizonte se resuelve porque las diferentes regiones que vemos solían estar lo suficientemente cerca para comunicarse, pero durante la inflación, el espacio se expandió tan rápidamente que estas regiones cercanas se extendieron para cubrir todo el universo visible.

El problema de la planitud se resuelve porque el acto de la inflación realmente aplana el universo. Imagínese un globo sin inflar, que puede tener todo tipo de arrugas y otras anormalidades. Sin embargo, a medida que el globo se expande, la superficie se alisa. Según la teoría de la inflación, esto también le sucede a la estructura del universo.

Además de resolver los problemas de horizonte y planicie, la inflación también proporciona las semillas para la estructura que vemos en nuestro universo hoy en día. Pequeñas variaciones de energía durante la inflación, debido simplemente a la incertidumbre cuántica, se convierten en las fuentes para que la materia se aglutine, convirtiéndose eventualmente en galaxias y cúmulos de galaxias.

Un problema con la teoría inflacionaria es que no se conoce el mecanismo exacto que causaría – y luego apagaría – el período inflacionario. Muchos aspectos técnicos de la teoría inflacionaria permanecen sin respuesta, aunque los modelos incluyen un campo escalar llamado campo de inflado y una partícula teórica correspondiente llamada inflado. La mayoría de los cosmólogos hoy en día creen que alguna forma de inflación probablemente tuvo lugar en el universo primitivo.

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