Los físicos que inflaron el Universo      

 

 

Por Wilson da Silva.

Traducción y comentarios: Jesús Guerrero. ALDA. Octubre 2017.

 

 

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Alan Guth en una de las tareas más extraordinarias de la física: explicar los primeros instantes del Universo.

Crédito: James Sugar. National Geographic.

 

Hace aproximadamente 13.800 millones años, cuando el Universo tenía una centésima de billonésima de un trillonésimo de un trillonésimo de segundo de edad, experimentó un crecimiento extraordinario, doblando en tamaño más de 60 veces por encima del instante anterior. Este bólido cósmico rápidamente se ralentizó y después de aproximadamente 380.000 años se refrescó lo suficiente como para que los electrones se combinaran con los núcleos y formaran átomos. Esto liberó fotones de luz. De repente el Universo podría verse.

 

En algún momento entre los 150 millones y 1.000 millones de años después, la gravedad manejó los grumos de gas para colapsarse hacia su centro y de esta manera formar las primeras estrellas. El intenso calor y la presión dentro de las estrellas hizo que las mismas actuaran como los hornos termonucleares, haciendo que la única materia que existía - hidrógeno, helio y litio – se convirtiera en elementos más pesados como el carbono, hierro y níquel. Y Alan Guth.

 

No el astrofísico, que se sienta frente a mí con una camisa azul a cuadros, pantalones verde claro y cabello gris con una media sonrisa casual, pero si todo el oxígeno, el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el calcio, el fósforo y los oligoelementos que componen el hombre. Los protones, neutrones y electrones de los que se componen esos elementos, compuestos a su vez de fermiones subatómicos como quarks y leptones, se crearon en ese Universo primitivo.

 

"Me parece absolutamente increíble", me dice Guth, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. "Quiero decir, estamos haciendo teorías sobre lo que estaba sucediendo en el Universo a los 10-38 segundos, lo que se encuentra totalmente fuera de escala, mucho más allá de nuestra experiencia. Y, sin embargo, estas predicciones describen las fluctuaciones de la radiación cósmica de fondo con una precisión increíble".

 

Para un gigante en su campo, que en septiembre pasado recibió el Premio Kavli de Astrofísica de 1 millón de dólares, el hombre de 67 años es moderado y modesto. Su corte de pelo data de la década de los setenta, y también la teoría que hizo su reputación. Hoy, nuestro Universo es notablemente par. ¿La explicación de Guth? Un crecimiento titánico en la fracción de segundo después de su nacimiento que lo infló como un globo, dejándolo liso y parejo. Él apodó a su teoría "Inflación Cósmica".

 

Y, sin embargo, este es un hombre que considera su doctorado un fracaso. Cuando hizo su asombroso descubrimiento, se había visto atrapado en los escalones más bajos como un "post-doc" no atendido durante años. "Yo diría que mi futuro era algo incierto en ese momento", dice, ajustando sus gafas.

 

 

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Alan Guth dibuja la historia de la creación con tiza en una pizarra en el MIT en 2002. – Fotografía de Larry Fink.

Debido a que estaba trabajando en su doctorado en el MIT, Guth evitó ser reclutado para la Guerra de Vietnam. Su tesis fue entregada en 1972, el mismo año en que terminó el servicio militar obligatorio. Describió cómo los quarks se combinan para formar partículas elementales y se construyó sobre la creencia, entonces popular, de que los quarks subatómicos eran extremadamente pesados. Desafortunadamente, la nueva teoría de la cromodinámica cuántica surgió poco después, haciendo obsoleta la idea de los quarks pesados y la tesis doctoral de Guth.

 

EL UNIVERSO FUE DEMASIADO PERFECTO. ESTE FUE EL PROBLEMA DE LOS FÍSICOS EN LOS AÑOS 70.

Se casó con su novia de la escuela secundaria, Susan Tisch, y tuvo dificultades para conseguir un trabajo permanente. Durante los siguientes nueve años ocupó cargos de investigación posdoctoral en la Universidad de Princeton, luego en Columbia, luego en Cornell, y finalmente terminó en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de la Universidad de Stanford, cerca de San Francisco. Durante ese tiempo, su trabajo abarcó desde la descripción de las matemáticas de partículas subatómicas hasta el Big Bang. Pero fue en SLAC que todo esto se unió en su Big Bang personal. Modestamente describe su idea de la inflación cósmica como "estar en el lugar correcto en el momento correcto".

 

El Universo era demasiado perfecto. Este fue el problema que plagó a los físicos en la década de 1970. El Big Bang fue una descripción convincente de cómo comenzó, pero para que esto conduzca a lo que vemos hoy, la densidad de la materia y la energía tenía que ser un valor muy preciso, con una precisión de 15 decimales, o el Universo se destruiría, disgregándose o colapsando sobre sí mismo. Esto se conocía como el "Problema de Planitud". Otra dificultad fue el "Problema del Horizonte": los dos bordes del Universo observable están a casi 28 mil millones de años-luz de distancia, pero a través de esa distancia la temperatura es notablemente uniforme con una variación del 0,007%. Como nada puede moverse más rápido que la luz, la radiación de calor no podría haber recorrido estos horizontes para igualar la diferencia. Los físicos estaban perplejos.

 

Ninguno de estos problemas estaba en la mente de Henry Tye, un compañero físico postdoctoral en Cornell, quien convenció a Guth de trabajar en ecuaciones que pudieran predecir el número de monopolos magnéticos en el Universo primitivo. Los imanes tienen dos polos, pero las bestias exóticas con un solo polo son teóricamente posibles según las ecuaciones del físico escocés James Clerk Maxwell. Los monopolos aún no se han visto en el Universo real, pero si el Universo primitivo fue superrápido, muchos probablemente se habrían producido. Guth y Tye se pusieron a calcular cuántos. Su respuesta fue sorprendente: incluso hoy, el Universo debería estar plagado de monopolos magnéticos. Además, los monopolos serían tan colosales que el Universo se habría ralentizado extremadamente rápido después del Big Bang.

 

Y si sus cálculos fueran correctos, el Universo tendría apenas 10.000 años. Eso les dijo que estaban en el camino equivocado, ¡porque el Universo no puede ser más joven que la Tierra! "Así que era claramente una predicción imposible", recuerda Guth. Él y Tye comenzaron a buscar explicaciones que evitaran la sobreproducción de monopolos. ¿Qué pasaría si el Universo se enfriara extremadamente rápido después del Big Bang, reduciendo la aparición de tantos monopolos, se preguntaban? Trabajando en el estudio de su casa alquilada una noche a fines de 1979, Guth se dispuso a hacer los números, y descubrió que esto realmente eludía los monopolos y la edad del problema del Universo.

 

 

 

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En los premios Kavli 2014. Destinatarios, de izquierda a derecha, Alan Guth, Andrei Linde y Alexei Starobinsky. - Premio Kavli 2014

 

 

Pero a las dos de la mañana, tuvo un destello de perspicacia. La solución del problema de los monopolos requirió que el Universo se expandiera exponencialmente. "Y me di cuenta de que esto resolvería el problema de la planitud", recuerda. En su cuaderno esa noche escribió "realización espectacular", con dos rectángulos en negrita a su alrededor.

 

Fue el nacimiento de la teoría de la inflación cósmica. A la mañana siguiente, Guth hizo un ciclo al SLAC en un tiempo récord. "Estaba muy preocupado de que hubiera algún defecto gigantesco, así que estaba muy ansioso por compartir la idea con mis colegas para ver si la gente podía hacer agujeros en ella". Sin embargo, su idea se mantuvo. De hecho, a partir de las discusiones con los físicos en la cafetería de SLAC durante las siguientes semanas, se hizo evidente que la inflación no solo tenía piernas, sino que también resolvía muy bien el problema del horizonte. "Todo estaba amontonado cara a cara a distancias subatómicas antes de expandirse violentamente, por lo que la inflación cruzó limpiamente el mundo de lo muy pequeño y el mundo de lo inimaginablemente grande, atándolos juntos. Entonces me emocioné demasiado". Guth fue repentinamente demandado.

 

A partir de enero de 1980 comenzó a hablar sobre su idea en universidades e institutos de investigación, invitando comentarios y críticas de la audiencia. Siempre había tardado en escribir un artículo científico, pero en este caso tenía una buena razón: aunque podía explicar cómo comenzó la inflación, no pudo terminar de una manera que permitiera la formación de estrellas y galaxias. Además, su postdoc estaba llegando a su fin y necesitaba encontrar un trabajo nuevamente, aunque esta vez las ofertas comenzaron a llegar a él. En abril, después de un día de entrevistas de trabajo, cenó en un restaurante chino. Su galleta de la fortuna decía: "Te espera una oportunidad emocionante si no eres demasiado tímido".

 

Guth quería regresar al MIT pero no había trabajos disponibles. Contactó a un amigo allí, haciéndole saber que estaba entretenido con una gran cantidad de ofertas de trabajo, pero que preferiría trabajar en Boston. Un día después, Guth tenía su oferta de trabajo. "Mi esposa estaba muy feliz", sonríe. En junio, finalmente había completado sus cálculos sobre cómo terminó la inflación, pero no estaba contento: predijo un Universo abultado, que no es lo que los astrónomos estaban viendo. Decidió publicar su artículo en enero de 1981, argumentando que era una explicación poderosa a pesar del final insatisfactorio, e instó a otros a encontrar formas de hacer funcionar la idea de la inflación cósmica.

 

Ya había mucha expectación: los informes de sus charlas sobre la inflación habían estado circulando en la comunidad de la física, pero nadie tenía una respuesta inmediata. Se hicieron varios intentos, pero en realidad llevó años responder al desafío de Guth. Fue el físico ruso Andrei Linde, en el Instituto Físico de Lebedev en Moscú, quien en 1983 propuso un enfoque renovado en el que el Universo sale airosamente de la expansión exponencial sin producir una estructura salvajemente grumosa. Electrificó a los físicos y pronto se convirtió en el prototipo de los modelos inflacionarios modernos. También agregó una pizca de rareza que sugiere que nuestro Universo es uno de los muchos universos inflacionarios que han surgido en el ser, que existe un multiverso de todos los tipos posibles que existen, y que aún se está creando.

 

Al descifrar el problema, Linde se inspiró en el trabajo del colega ruso Alexei Starobinsky, del Instituto Landau de Física Teórica, cerca de Moscú, quien en 1980 postuló independientemente la expansión exponencial, aunque impulsado por un mecanismo diferente: los efectos de la gravedad cuántica. Publicado en ruso, el documento de Starobinsky era desconocido para Guth y otros en Occidente y no abordaba los problemas de planeidad y horizonte. Sin embargo, fue fundamental. Hoy la teoría de la inflación ha sido validada muchas veces por la nave espacial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) y otros experimentos que mapean el fondo cósmico de microondas: la antigua luz liberada por el Big Bang que aún brilla a través del Universo. La fuerza de la teoría fue reconocida en septiembre cuando los tres hombres fueron galardonados con el Premio Kavli en Astrofísica por el rey de Noruega en una ceremonia en Oslo.

 

Ahí fue donde alcancé a Guth y Linde. Mientras bebía café en el Grand Hotel de Oslo, el mismo lugar donde el dramaturgo Henrik Ibsen solía comer todos los días, Guth se entusiasmó con la forma en que Linde cerró el ciclo: "Mi versión de la inflación no funcionó. Andrei lo hizo funcionar. "Ahora un profesor en Stanford, Linde es un hombre exuberante, con cabello blanco azotado por el viento y una amplia sonrisa, quien le atribuye a Guth" un tremendo cambio de perspectiva en la física. "Antes de la teoría de la inflación, todos pensaban que la mecánica cuántica tenía un efecto a escalas muy pequeñas, pero a gran escala se consideraba que no era relevante", me dijo. "Pero aprendimos que los objetos más grandes del Universo, las galaxias, fueron producidos por fluctuaciones cuánticas". No hace mucho tiempo, "esto habría sonado como una idea loca, una que es buena para los libros de ciencia ficción pero no para la física. Sin embargo, usted va y mide, y todo encaja en esta imagen de ciencia ficción. Es simplemente increíble. "Starobinksy, un hombre canoso y con gafas con cejas espesas y un porte más reservado, a quien también conocí después de la ceremonia Kavli, está de acuerdo. "Con esta teoría, la cosmología se parece más a otras áreas de la física, se vuelve predictiva, podemos predecir lo que vemos hoy con gran precisión. Eso es muy emocionante".

 

Los tres admiten estar todavía asombrados de que los humanos puedan entender algo sobre cómo era el Universo cuando, como lo expresó Starobinsky, era "inimaginablemente pequeño, menos de 0,0000000000000000000000000001 centímetros de ancho". ¡Eso es 27 ceros entre el punto decimal y el uno! "

 

En marzo de este año, un equipo dirigido por el astrofísico de Harvard John Kovac anunció que había descubierto ondas gravitatorias utilizando un telescopio basado en la Antártida, BICEP2 (para imágenes de fondo de la polarización extragaláctica cósmica 2). La huella dactilar de las ondas gravitacionales era detectable como patrones de remolino, denominados modos B, en luz polarizada desde el fondo cósmico de microondas. Las noticias sacudieron el mundo de la física y emocionaron mucho a Guth, Linde y Starobinsky. Su teoría de la inflación predijo las ondas de gravedad: el espacio-tiempo habría "rebotado" en respuesta al choque, produciendo ondas de gravedad que dejaron su huella como remolinos en el fondo de microondas cósmico. Las ondas gravitacionales fueron predichas por la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein en 1916, pero son excepcionalmente débiles y difíciles de detectar. A pesar de décadas de búsqueda, no se han descubierto pruebas concluyentes de ellas.

 

Poco después del anuncio de BICEP2 surgieron dudas. Los críticos sugirieron que los pequeños remolinos podrían no tener nada que ver con las ondas gravitatorias: podrían haber sido causadas por partículas de polvo que rodean el campo magnético de la Vía Láctea. Ellas también pueden polarizar la luz y crear patrones similares. El equipo de Kovac respondió que utilizaron seis modelos diferentes para predecir cómo se verían los patrones de polvo, y luego los restaron de uno en uno a partir de los datos brutos. Teóricamente, las señales sobrantes serían las de las ondas gravitatorias auténticas. En septiembre, un nuevo documento basado en datos recopilados por el observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea encontró mucho más polvo del que el equipo de BICEP2 había anticipado en sus modelos. De hecho, lo suficiente como para dar cuenta de los remolinos medidos por el equipo de Kovac, aunque los autores del documento de Planck destacaron que su análisis no descartaba las ondas gravitatorias de BICEP2.

 

La noticia fue desalentadora. La medición de las ondas gravitacionales primordiales habría proporcionado una mayor validación de la teoría de la inflación, además de ofrecer números certeros para explicar cómo opera el Universo desde la escala cósmica a la cuántica. "La detección de ondas de gravedad podría apuntar a la unificación de varias fuerzas de la naturaleza", dice el cosmólogo Lawrence Krauss de la Universidad Estatal de Arizona. Guth no se inquieta porque los datos de BICEP2 podrían ser un espejismo. Lo que lo irrita son los periodistas que doblan el descubrimiento putativo como la única prueba real para la inflación cósmica. "Cuando la gente decía que las ondas gravitatorias serían la pistola humeante para la inflación, mi respuesta fue que pensé que la habitación ya estaba bastante llena de humo".

 

Pero entonces Guth no es de quien preocuparse. Para un hombre cuyo viaje académico comenzó con un doctorado fracasado, sin embargo, se encontró con una solución que daba sentido al lío en el que se encontraba la cosmología. Lo cual es irónico, en realidad, teniendo en cuenta el desorden legendario en su oficina. Entre los muchos premios que ha elegido a lo largo de los años, se encuentra uno otorgado por The Boston Globe para la oficina más desordenada de la ciudad. Fue nominado por colegas que esperaban que lo avergonzarían para ponerlo en orden. "Todavía es bastante complicado", admitió. Tal vez él necesita el caos.