NeoFronteras

Alternativa a la inflación

Área: Espacio,Física — sábado, 26 de noviembre de 2016

Proponen una nueva versión testable de la teoría alternativa a la inflación.

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Lee Smolin (Perimeter Institute for Theoretical Physics) cuenta en su libro “The trouble with Physics” que Joao Magueijo (Imperial College London) es uno de los físicos que cuestiona la relatividad especial, al menos a ciertas escalas.

Según Smolin, Magueijo no tiene posibilidad de elección, pues es un hombre que inventó una idea de la que se enamoró (fallen in love with), una idea que contradice el postulado fundamental de la Relatividad Especial, que sostiene que la velocidad de la luz en el vacío es constante.

Según Magueijo, al comienzo del Big Bang, la velocidad de la luz era mucho mayor de lo que es ahora y esto permite resolver algunos problemas cosmológicos.

Nadie cuestiona la idea del Big Bang entendida como que toda la materia, energía y espacio que vemos estaban concentrados en una región muy pequeña hace unos 13800 millones de años y que ha estado expandiéndose desde entonces. Tenemos multitud de pruebas físicas que así lo indican. Sin embargo, el demonio está en los detalles y, en realidad, no estamos seguros de prácticamente nada más.

El modelo de Big Bang antiguo no podía explicar un par de cosas. Por un lado, el Universo parece bastante plano y, a la luz de los datos de las misiones WMAP y Planck, exactamente plano. ¿Por qué es plano y no tiene curvatura? Al fin y al cabo, si tiene que ser algo por casualidad lo más probable es que sea curvo en algún sentido y no que se haya dado la inmensa casualidad de que sea plano. Por tanto, debe de haber algún mecanismo que fuerce esta planitud.

Por otro lado, el Universo es muy homogéneo e isótropo. Para comprobarlo nada como echar un vistazo al fondo cósmico de microondas (FCM) para ver que la temperatura del cielo cósmico a un lado de la bóveda celeste es la misma que al lado opuesto o que cualquier otro lado. Parece como si todos esos puntos se hubieran puesto de acuerdo para estar a la misma temperatura. Esto se puede conseguir gracias a algún proceso de termalización. Así, por ejemplo, si metemos objetos calientes en un termo, al cabo de un tiempo todo estará a la misma temperatura. Pero el calor o la radiación no pueden viajar más rápido que la luz. ¿Cómo entonces se pudieron poner de acuerdo para termalizarse partes distintas del FCM si no estaban causalmente conectadas al ser lejanas y serlo cada vez más debido a la expansión?

Para solucionar estos problemas se introdujo la inflación. Según esta hipótesis, hubo un periodo de expansión acelerada al principio del Big Bang que aplanó el Universo. Como el universo que vemos procede de una pequeña parte de ese todo que se infló, entonces todos sus puntos tendrían que partir de unas temperaturas muy similares. La idea es elegante en resultados, pero no en explicar cómo se produjo dicha inflación. Así, se introduce un nuevo campo regulado por una partícula denominada inflatón. Según esto, el campo inflatón, que llenaba todo el Universo, estaba en un estado de falso vacío (una energía potencial superior a la mínima posible), cuando cayó a un vacío inferior (o ‘verdadero’, si no hay más) que generó la energía suficiente como para llenar de materia-energía el Universo y empujarlo a un régimen de rápida inflación.

La única prueba de la que disponemos de que la inflación efectivamente se dio es la planitud observada en las imágenes del FCM, pero, en realidad, esa planitud es casi un postulado, pues es precisamente lo que se intenta forzar con la inflación. La planitud, incluso la homogeneidad e isotropía, podrían haber sido forzadas por otros mecanismos distintos.

Es aquí en donde a Magueijo se le ocurrió la idea de una mayor velocidad de la luz al comienzo del Big Bang. Algo así permitiría una comunicación casi instantánea entre las distintas partes del Universo, lo que lo habría termalizado a la misma temperatura todo el Universo.

Si nos fijamos bien, tampoco es tan descabellado, pues las condiciones físicas de densidad y temperatura del Universo en esos momentos eran grandiosas, ¿por qué debemos esperar que la Física normal testada a regímenes muy diferentes se cumpla también para esos tiempos?

La idea de Magueijo no es ya nada simple y basta con echar un vistazo a su último artículo para ver que es soportada por un gran aparato matemático. Es una idea que se encuadra dentro de las teorías tensor-escalar de métricas no conformes. En este artículo junto a Niayesh Afshordi (Perimeter Institute for Theoretical Physics) publica sus últimos resultados al respecto bajo una nueva versión de la idea.

Uno de los aspectos interesantes de esta propuesta es que la luz y la gravedad se propagaban en esos momentos iniciales del Big Bang a diferentes velocidades.

Según sostienen estos dos físicos teóricos, la propagación de materia, energía y gravedad a velocidad superlumínicas diferentes permite explicar tanto la planitud del Universo como su homogeneidad e isotropía. Pero lo más interesante del artículo es que se propone una serie de predicciones que permiten que la teoría sea testable.

El FCM no es más que una imagen de lo que pasó al final del Big Bang y, por tanto, también es un reflejo de lo que se dio al principio. Por eso se trata siempre de contrastar toda teoría cosmológica con él. Algunas versiones de teorías inflacionarias predecían la existencia de ondas gravitacionales primordiales, algo que parecía que se había visto en los modos-B del FCM gracias a BICEP-2. Lamentablemente, parece que todo se debió a una señal introducida por el polvo de nuestra propia galaxia y no a las ondas gravitatorias primordiales de origen inflacionario.

Magueijo y Afshordi predicen, teniendo en cuenta su propuesta, que no se observarán ondas gravitacionales primordiales al no producirse a la escala predicha por la inflación. Así que, si se observan, su teoría sería errónea y la inflación posiblemente fuera correcta.

Además, esta diferencia en velocidades entre la luz y la gravedad, según la propuesta Magueijo, tiene que tener un efecto en el FCM. Debió de existir un cambio brusco que se corresponde a lo que en Física se llama un cambio de fase y este cambio de fase debe de haber dejado huellas en el FCM.

Como todos sabemos, el FCM no es absolutamente homogéneo. Existen fluctuaciones de temperatura muy pequeñas que sólo se pueden medir con las misiones espaciales tipo WMAP o Planck (ver foto de cabecera). Esas fluctuaciones son importantes porque las estructuras a gran escala de Universo son debidas a ellas, de otro modo la gravedad no podría haberse agarrado a esos grumos de concentración de materia para formar cúmulos de galaxias y todo lo que contienen.

Las fluctuaciones primordiales que podemos ver en el FCM típicamente se cuantifican a través de un espectro de potencia que representa las variaciones como una función de escala espacial. A partir de esto se puede deducir un índice espectral escalar ns que nos condensa en un número la densidad y tamaño inicial de esas “arrugas” primordiales del Universo.

Muchos modelos inflacionarios predicen que ese índice debería ser exactamente ns=1. Pero, según la propuesta de Magueijo, el índice tiene que ser ligeramente inferior, concretamente, debe ser ns=0,96478. Lo bueno es que este valor puede ser contrastado experimentalmente en el FCM. Los mejores datos hasta la fecha sobre el FCM son los recolectados por Planck y estos indican que el índice es ns=0,968 con cierto margen de error. Todavía no se puede descartar o apoyar la idea de Magueijo, pero en futuras misiones de observación del FCM sí se podrá. De momento, los números son tentadores.

Es una ventaja muy grande, desde el punto de vista de falsabilidad, la que tiene la idea de Magueijo frente a la inflación, pues la observación precisa del FCM permitiría rechazar la teoría. Una teoría testable es una buena teoría. Sin embargo, ninguna observación lograría rechazar completamente la teoría (o teorías) inflacionaria, al no poderse realizar con ella predicciones específicas.

De confirmarse la teoría de Magueijo, se abriría una nueva ventana en la Física teórica, pues el que la física fuese distinta en el Big Bang a lo asumido hasta ahora quizás permitiría avanzar en una teoría cuántica de la gravedad.

“Tenemos un modelo de universo que abraza la idea de que debe de haber nueva física en cierto punto. Es complicado, obviamente, pero últimamente creo que habrá una manera de informarnos sobre la gravedad cuántica a partir de esta clase de cosmología”, dice Magueijo.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p5181=

Fuentes y referencias:
Artículo original en PRD.
Artículo original en ArXiV.
Mapa FCM: ESA/ misión Planck.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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14 Comentarios

  1. lluís:

    Pero esa “partícula inflatón”, ¿que propiedades tendría?, ¿ sería alguna clase de bosón mediador que transportaría la “inflación”? Dede luego lo de la “inflación” será todo lo elegante que se quiera, pero suena bastante extraña, hay que imaginar la existencia de un campo regido por una partícula imaginada.No sé.Porque al fin y al cabo también se imaginó un campo de Higgs y luego se dió con el bosón de ese campo.Pero lo de la inflación,¿ se ha detenido a día de hoy?, ¿qué mecanismo explicaría que en el supuesto de que se haya detenido o alentizado mucho, ello haya sido así?

    La idea de que la velocidad de la luz pudo ser al principio “mucho mayor” de lo que es ahora, lo cual podría haber tenido como consecuencia la “termalización” de distintos puntos del universo que no estuvieron en contacto, en parte parece intuitiva (aunque luego viene un arsenal matemático tremendo), pero cargarse la relatividad espacial (aunque sea a ciertas escalas, por cierto otra cosa que no acabo de entender, ¿qué significa ” a ciertas escalas”, ¿ que habría escalas en las que se mantendría la RE y otras en las que no?), también da un poco de escalofrios.

    De todos modos si todo este arsenal matemático se puede testar en el FCM no deja de ser muy interesante la cosa.

  2. Dr. Thriller:

    Bueno, tengo un sapo desde hace tiempo. ¿Cómo podemos estar realmente *seguros* de que el FCM es realmente eso, un fondo cósmico y no un ruído, digamos, más local? ¿O que esté fuertemente contaminado por algo local? (Quien dice local, dice cualquier escala). Me refiero a si tenemos una agarradera *física*, más allá de que encaja muy bien con una serie de leyes conocidas e hipótesis construidas.
    Todo lo más lejos que se ha medido el FCB es por satélites en L2 (~1.500.000 km de la Tierra), todo lo demás ha sido recopilado prácticamente en la superficie (LEO todo lo más). Me pregunto si sería muy descabellado ubicar un satélite realmente más lejos que eso para comprobar si se detectan cambios significativos.

  3. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Algunos no creemos en el campo inflacionario. Es demasiado artificial y ad hoc. Quizás, si hubo inflación, fue producida de otro modo.

  4. NeoFronteras:

    Dr. Thriller:
    El origen cosmológico del FCM es innegable, su perfil de cuerpo negro encaja a la perfección con lo predicho en su día.

  5. JavierL:

    Siempre se compara los inicios del universo con la condiciones dentro de los agujeros negros, ¿dice algo está teoría de lo que sucede dentro de ellos?, ¿las condiciones de externa densidad cambia la física en ese lugar? , o ¿el cambio sucede con el tiempo?

    Amigo Lluís
    Referente a cargarse la RE, es justamente lo que se esta buscando para poder avanzar. No debería darnos escalofríos.

  6. Dr. Thriller:

    Cierto que el Big Bang descansa sobre dos pilares, uno es (en sentido amplio) el efecto Doppler “con extensiones” y otro el temita del cuerpo negro. Cierto que la asignatura de termodinámica se me indigestó un poco en su día, pero por definición uno diría que precisamente no cabe aplicársele al Universo como un todo. Claro que esto no es decir mucho, por no decir nada.

    La analogía histórica de la ciencia está plagada de cosas que en su momento parecían tan obvias que hubieran requerido pruebas extraordinarias (y eventualmente se presentaron, eso es verdad), es innegable que pensar que las estrellas pudieran ser tan grandes y estar tan lejos, o que la escala de la evolución fuese tan mareante estaban mucho más allá del “sentido común” (compendium prejudicii)… la mente humana en realidad está muy limitada.

    Vamos, que si algún día se mide el CMB en Júpiter, digamos, y sale con diferencias significativas, el pollo está armado. De hecho, estamos discutiendo exactamente cómo ha podido funcionar el Universo como un cuerpo negro (casi) perfecto porque no lo tenemos nada claro.

    Supongo que yo también tengo mi ración de prejuicios, y la analogía histórica tiene un recorrido limitado, sirve desde luego para entender nuestro comportamiento, pero no tiene mucho que decir sobre la realidad del Cosmos en último término. Ahora, la batería de carros y carretas que tiene el Big Bang con ruedas de molino tamaño cósmico, literal, no la ha tenido ningún otro paradigma en la historia. Realmente, yo no creo que se llegue a tumbar nunca la Relatividad einsteniana, pasará como la newtoniana, revelará sus límites y será completada dentro de un sistema mayor, no tengo evidentemente base matemática para ponerme a discutir si las constantes físicas cambian en el tiempo o no, pero la idea de constante no va precisamente por ahí. Si empiezo a toquetear las cosas, nadie me dice que otras propiedades del Universo van a permanecer constantes. Vamos, que para arreglarme el chalet ya hemos fundido presupuesto para hacer una urbanización.

    Esto último se me hace familiar.

  7. Tomás:

    Si la velocidad de la luz en el vacío era distinta durante el Big Bang, imagino que solo podía tener una o dos causas: o bien las propiedades del vacío eran distintas, o lo eran las de las ondas electromagnéticas, o ambas cosas a la vez. Descartaría una de ellas, la naturaleza de la luz, por lo que solo quedaría un vacío diferente, cuyas propiedades bien pudieron ser, al menos parte, del mismo Big Bang.
    Pero no son más que especulaciones ante la primera sorpresa que tuvo la ciencia de que el vacío no era la nada.
    Saludos.

  8. Tomás:

    Quiero decir “al menos en parte, causa del mismo Big Bang”.

  9. Miguel Ángel:

    ¿Qué explicación ofrece de lo que ocurriría con el tiempo viajando a esa velocidad de la luz, pero superior a c?

  10. JavierL:

    No se mucho Miguel Ángel. Pero poniéndome a analizar, en este caso lo que cambia es la velocidad de C. (Como propiedad del universo) Por lo cual nunca vas más rápido que la luz y no hay ninguna consideración temporal “por superarla”. De hecho creo que ahí no se violaria la RE.

    Creo que se viola es en aquello de que la gravedad viaje a una velocidad distinta que c. Tengo entendido que la RE “predice” que ambas velocidades son iguales. (Si alguien lo confirma, lo agradecería) no veo donde más se puede violar y sería interesante ver que ajustes en la RE conlleva.

  11. Armand:

    Creía que la velocidad de la luz era insuperable; Pero ahora, la luz que había en un principio, era mucho mas rápida que la actual. Si una nave espacial tripulada, que recorre el camino, o distancia, entre dos estrellas o galaxias distantes; si superase la velocidad de la luz actual, como seria? Cuando se rompe la del sonido, se forma un escudo de hielo, y después se oye un estruendo. Tal vez veríamos algo parecido a fuegos artificiales.

    Un saludo.

  12. Miguel Ángel:

    Muy querido JavierL:

    Bueno, si cambia “c”, se sale de la relatividad. Además estaríamos hablando de un Universo con una Física totalmente distinta en la muchos aspectos: todavía no había átomos, se cree que solo partículas como quarks y gluones a una temperatura colosal.

    Y un fuerte abrazo.

  13. Tomás:

    Pensé que me contradecías, querido JavierL, lo que habría sido, posiblemente, muy útil. Pero viendo el contenido en el paréntesis parece que no. Y es que un fotón es un fotón y se produce por una determinada acción, por lo que pienso que no podemos cambiarle las propiedades sin llamarlo de otra forma, porque sería otra cosa. Entonces, parece que no queda otra que achacar al espacio esa mayor velocidad. Al fin y al cabo también la luz se ralentiza al pasar a un medio que no es el espacio. Aunque me pregunto si no sería lo mismo que pasa ahora con la expansión del universo más que a lo bestia. En realidad, no lo sabemos; solo son conjeturas que intentan explicar lo que nos parece una imposibilidad si no lo resolvemos con algo extraordinario.
    Un abrazo.

  14. jorge:

    Según la teoría de cuerdas o la famosa teoría M propone que existen 7 dimensiones adicionales a las ya conocidas y que estas estarían “compactificadas” en una escala de planc y esa es la razón por las que no las podemos ver o percibir, yo creo que cuando se produjo el big bang por el choque de 2 super vranas (según uno de los estipulados de la teoría M) estas dimensiones debieron extenderse a velocidades obviamente muy superiores a “c” convirtiéndose en áreas o espacios donde la energía y de hecho la gravedad podrían alcanzar velocidades superiores a “c” ( puesto que esta dimensión o dimensiones son o serían muy diferentes a las que conocemos estas permitirían que la energía y la gravedad alcancen velocidades superiores a “c”) en otras palabras en estas dimensiones no importa que exista un vacío total o un campo inflacionario sino que su naturaleza misma permitiría este fenómeno, luego creo que esta o estas (dimensiones) volverían a contraerse o compactificarse y es en este momento donde la RE entraría en acción. Si el FCM que es un parámetro cósmico muy exacto o casi exacto que nos permite observar una uniformidad térmica, una planitud una isotropía y homogeneidad tal, seguramente se debió a que esta o estas dimensiones se extendieron en una forma muy homogénea y plana. Por otro lado tanto la materia y energía oscura seguramente actúan o inter actúan en otra dimensión (seguramente es por eso que no podemos verlas a simple vista) que al contrario de las otras dimensiones esta no se contrajo sino que se sigue expandiendo o estirando, tal vez no se en algún instante esta también comience a contraerse.

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