Durante seis meses cada año, las llanuras perennemente oscuras y barridas por el viento de la capa de hielo del polo sur tienen una temperatura promedio de aproximadamente 58 grados Fahrenheit bajo cero. En verano, cuando el sol regresa para su día de seis meses, el terreno glacial apenas se vuelve más atractivo, con temperaturas que suben a menos 20 grados. No es el tipo de lugar que la mayoría de nosotros elegiría visitar.
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Pero si eres un astrónomo que busca una colección de fotones que se han estado transmitiendo hacia nosotros desde justo después del Big Bang, entonces el Laboratorio del Sector Oscuro del Polo Sur es lo que el Met es para la ópera o el Yankee Stadium para el béisbol. Es el lugar principal para practicar su oficio. Con el aire más frío y seco de la tierra, la atmósfera permite que los fotones viajen prácticamente sin obstáculos, proporcionando las imágenes espaciales terrestres más nítidas jamás tomadas.
Durante tres años, un equipo de astrónomos dirigido por el investigador Harvard-Smithsonian John Kovac desafió los elementos para apuntar un telescopio musculoso conocido como Bicep2 (un acrónimo de la imagen de fondo menos eufónica de la polarización extragaláctica cósmica) en un parche del cielo del sur. En marzo, el equipo lanzó sus resultados. Si las conclusiones permanecen, abrirán una nueva ventana espectacular sobre los primeros momentos del universo, y se clasificarán merecidamente entre los hallazgos cosmológicos más importantes del siglo pasado.
Es una historia cuyas raíces se remontan a las primeras historias de creación destinadas a satisfacer el impulso primordial de captar nuestros orígenes. Pero retomaré la narración más tarde, con el descubrimiento de Albert Einstein de la teoría general de la relatividad, la base matemática del espacio, el tiempo y todo el pensamiento cosmológico moderno.
El plano focal del telescopio Bicep2, que se muestra bajo un microscopio, fue desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Las ondas gravitacionales estiradas por la inflación generan un patrón débil pero distintivo, llamado señal de modo B, capturado por el Bicep2. (BICEP2) 
Durante la inflación (mostrada a la izquierda), una fuerza gravitacional empujó hacia afuera, estirando el universo en una pequeña fracción de segundo. (WMAP) El telescopio Bicep2, que se muestra en el crepúsculo, logró la primera detección de un patrón de ondas gravitacionales previsto, según anunció su equipo. (Steffen Richter / Universidad de Harvard) Espacio deformado al Big Bang
En los primeros años del siglo XX, Einstein reescribió las reglas del espacio y el tiempo con su teoría especial de la relatividad. Hasta entonces, casi todos se adhirieron a la perspectiva newtoniana, la perspectiva intuitiva, en la que el espacio y el tiempo proporcionan un escenario inmutable en el que tienen lugar los eventos. Pero como lo describió Einstein, en la primavera de 1905 se desató una tormenta en su mente, una lluvia torrencial de ideas matemáticas que barrió la arena universal de Newton. Einstein argumentó convincentemente que no hay un tiempo universal (los relojes en movimiento marcan más lentamente) y que no hay un espacio universal (los gobernantes en movimiento son más cortos). La arena absoluta e inmutable dio paso a un espacio y tiempo maleables y flexibles.
Recién salido de este éxito, Einstein se convirtió en un desafío aún mayor. Durante más de dos siglos, la ley universal de gravedad de Newton había hecho un trabajo impresionante al predecir el movimiento de todo, desde los planetas hasta los cometas. Aun así, hubo un enigma que el mismo Newton articuló: ¿cómo ejerce su influencia la gravedad? ¿Cómo influye el Sol en la Tierra a través de unos 93 millones de millas de espacio esencialmente vacío? Newton había proporcionado un manual del propietario que permitía al experto matemático calcular el efecto de la gravedad, pero no pudo abrir el capó y revelar cómo la gravedad hace lo que hace.
En busca de la respuesta, Einstein se involucró en una odisea obsesiva y agotadora de una década a través de las matemáticas arcanas y los vuelos creativos de fantasía física. Para 1915, su genio se abrió paso a través de las ecuaciones finales de la teoría general de la relatividad, revelando finalmente el mecanismo subyacente a la fuerza de la gravedad.
¿La respuesta? Espacio y tiempo. Ya liberados de sus fundamentos newtonianos por la relatividad especial, el espacio y el tiempo cobraron vida en la relatividad general. Einstein demostró que tanto como un piso de madera deformado puede empujar un mármol rodante, el espacio y el tiempo pueden deformarse y empujar a los cuerpos terrestres y celestiales para que sigan las trayectorias atribuidas a la influencia de la gravedad.
Por más abstracta que sea la formulación, la relatividad general hizo predicciones definitivas, algunas de las cuales se confirmaron rápidamente mediante observaciones astronómicas. Esto inspiró a pensadores matemáticamente orientados de todo el mundo a explorar las implicaciones detalladas de la teoría. Fue el trabajo de un sacerdote belga, Georges Lemaître, quien también tenía un doctorado en física, lo que avanzó la historia que estamos siguiendo. En 1927, Lemaître aplicó las ecuaciones de relatividad general de Einstein no a objetos dentro del universo, como estrellas y agujeros negros, sino a todo el universo mismo. El resultado dejó a Lemaître de nuevo sobre sus talones. Las matemáticas mostraron que el universo no podía ser estático: la estructura del espacio se estiraba o contraía, lo que significaba que el universo aumentaba de tamaño o se encogía.
Cuando Lemaître alertó a Einstein de lo que había encontrado, Einstein se burló. Pensó que Lemaître estaba empujando las matemáticas demasiado lejos. Tan seguro estaba Einstein de que el universo, en su conjunto, era eterno e inmutable, que no solo descartó los análisis matemáticos que atestiguaban lo contrario, sino que insertó una modesta enmienda en sus ecuaciones para garantizar que las matemáticas pudieran acomodar sus prejuicios.
Y prejuicio era. En 1929, las observaciones astronómicas de Edwin Hubble, utilizando el poderoso telescopio del Observatorio Mount Wilson, revelaron que las galaxias distantes se están alejando rápidamente. El universo se está expandiendo. Einstein se dio una bofetada eufemística en la frente, una reprimenda por no confiar en los resultados que salían de sus propias ecuaciones, y alineó su pensamiento y sus ecuaciones con los datos.
Gran progreso, por supuesto. Pero nuevas ideas producen nuevos rompecabezas.
Como Lemaître había señalado, si el espacio ahora se está expandiendo, al enrollar la película cósmica a la inversa, concluimos que el universo observable era cada vez más pequeño, más denso y más caliente en el tiempo. La conclusión aparentemente inevitable es que el universo que vemos surgió de una pequeña mancha fenomenal que estalló, enviando el espacio hacia afuera, lo que ahora llamamos el Big Bang.
Pero si es cierto, ¿qué envió la hinchazón espacial? ¿Y cómo podría probarse una propuesta tan extravagante?
La teoría inflacionaria
Si el universo surgió de un sofocante átomo primitivo intensamente denso e intenso, como lo llamó Lemaître, entonces a medida que el espacio se hinchó, el universo debería haberse enfriado. Los cálculos realizados en la Universidad George Washington en la década de 1940, y más tarde en Princeton en la década de 1960, mostraron que el calor residual del Big Bang se manifestaría como un baño de fotones (partículas de luz) llenando el espacio de manera uniforme. La temperatura de los fotones ahora habría caído a solo 2.7 grados por encima del cero absoluto, colocando su longitud de onda en la parte de microondas del espectro, explicando por qué esta posible reliquia del Big Bang se llama radiación cósmica de fondo de microondas.
En 1964, dos científicos de Bell Labs, Arno Penzias y Robert Wilson, estaban al borde del ingenio, frustrados por una gran antena terrestre diseñada para comunicaciones por satélite. Independientemente de dónde apuntaron la antena, se encontraron con la pesadilla del audiófilo: un silbido de fondo incesante. Durante meses buscaron, pero no pudieron encontrar la fuente. Entonces, Penzias y Wilson se enteraron de los cálculos cosmológicos que se estaban haciendo en Princeton, sugiriendo que debería haber un espacio de relleno de radiación de bajo nivel. Los investigadores se dieron cuenta de que el silbido incesante surgía de los fotones del Big Bang que hacían cosquillas en el receptor de la antena. El descubrimiento le valió a Penzias y Wilson el Premio Nobel de 1978.
La prominencia de la teoría del Big Bang se disparó, impulsando a los científicos a separar la teoría, buscando implicaciones inesperadas y posibles debilidades. Se trajeron a la luz una serie de cuestiones importantes, pero la más esencial también fue la más importante.
BASIC.
El Big Bang a menudo se describe como la teoría científica moderna de la creación, la respuesta matemática al Génesis. Pero esta noción oculta una falacia esencial: la teoría del Big Bang no nos dice cómo comenzó el universo. Nos dice cómo evolucionó el universo, comenzando una pequeña fracción de segundo después de que todo comenzó. Cuando la película cósmica rebobinada se acerca al primer fotograma, las matemáticas se descomponen, cerrando la lente justo cuando el evento de creación está a punto de llenar la pantalla. Y así, cuando se trata de explicar la explosión en sí misma, el impulso primordial que debe haber puesto al universo en su curso expansivo, la teoría del Big Bang no dice nada.
Le correspondería a un joven becario postdoctoral en el departamento de física de la Universidad de Stanford, Alan Guth, dar el paso vital para llenar ese vacío. Guth y su colaborador Henry Tye, de la Universidad de Cornell, intentaban comprender cómo se podían producir ciertas partículas hipotéticas llamadas monopolos en los primeros momentos del universo. Pero calculando profundamente la noche del 6 de diciembre de 1979, Guth tomó el trabajo en una dirección diferente. Se dio cuenta de que las ecuaciones no solo mostraban que la relatividad general llenaba una brecha esencial en la gravedad newtoniana, proporcionando el mecanismo de la gravedad, sino que también revelaban que la gravedad podía comportarse de maneras inesperadas. Según Newton (y la experiencia cotidiana), la gravedad es una fuerza atractiva que atrae un objeto hacia otro. Las ecuaciones mostraban que en la formulación de Einstein, la gravedad también podría ser repulsiva.
La gravedad de los objetos familiares, como el Sol, la Tierra y la Luna, seguramente es atractiva. Pero las matemáticas mostraron que una fuente diferente, no un grupo de materia, sino energía incorporada en un campo que llena uniformemente una región, generaría una fuerza gravitacional que empujaría hacia afuera. Y ferozmente así. Una región de una milmillonésima milmillonésima parte de una milmillonésima de centímetro de ancho, llena con el campo de energía apropiado, llamado campo inflatón, sería desgarrada por la poderosa gravedad repulsiva, que podría extenderse hasta una fracción tan grande como el universo observable. de un segundo
Y eso con razón se llamaría una explosión. Una gran explosión.
Con los refinamientos posteriores a la implementación inicial de Guth de la gravedad repulsiva por parte de científicos como Andrei Linde, Paul Steinhardt y Andreas Albrecht, nació la teoría inflacionista de la cosmología. Una propuesta creíble de lo que encendió la hinchazón externa del espacio finalmente estaba sobre la mesa de los teóricos. Pero es verdad?
Prueba de inflación
A primera vista, puede parecer una tontería buscar la confirmación de una teoría que aparentemente funcionó durante una pequeña fracción de segundo hace casi 14 mil millones de años. Claro, el universo ahora se está expandiendo, por lo que algo lo puso en marcha en primer lugar. Pero, ¿es concebible verificar que fue provocado por un poderoso pero breve destello de gravedad repulsiva?
Es. Y el enfoque hace uso, una vez más, de la radiación de fondo de microondas.
Para tener una idea de cómo, imagine escribir un pequeño mensaje, demasiado pequeño para que cualquiera pueda leerlo, en la superficie de un globo desinflado. Luego explota el globo. A medida que se estira, su mensaje también se estira, volviéndose visible. Del mismo modo, si el espacio experimentara un estiramiento inflacionario dramático, entonces pequeñas huellas físicas establecidas durante los primeros momentos del universo se extenderían por el cielo, posiblemente haciéndolos visibles también.
¿Hay algún proceso que hubiera impreso un pequeño mensaje en el universo primitivo? La física cuántica responde con un rotundo sí. Todo se reduce al principio de incertidumbre, adelantado por Werner Heisenberg en 1927. Heisenberg demostró que el micromundo está sujeto a inevitables "fluctuaciones cuánticas" que hacen imposible especificar simultáneamente ciertas características, como la posición y la velocidad de una partícula. Para los campos que tienen espacio, el principio de incertidumbre muestra que la intensidad de un campo también está sujeta a fluctuaciones cuánticas, lo que hace que su valor en cada ubicación se mueva hacia arriba y hacia abajo.
Décadas de experimentos en el microrealm han verificado que las fluctuaciones cuánticas son reales y ubicuas; no son familiares solo porque las fluctuaciones son demasiado pequeñas para ser observadas directamente en la vida cotidiana. Que es donde el estiramiento inflacionario del espacio entra en juego.
Al igual que con su mensaje en el globo en expansión, si el universo sufriera la expansión estupenda propuesta por la teoría inflacionaria, entonces los pequeños temblores cuánticos en el campo inflatón (recuerde, ese es el campo responsable de la gravedad repulsiva) se extenderían al mundo macro. Esto daría como resultado que la energía del campo sea un toque más grande en algunos lugares, y un toque más pequeño en otros.
A su vez, estas variaciones en la energía tendrían un impacto en la radiación cósmica de fondo de microondas, empujando la temperatura ligeramente más alta en algunos lugares y ligeramente más baja en otros. Los cálculos matemáticos revelan que las variaciones de temperatura serían pequeñas, aproximadamente 1 parte en 100, 000. Pero, y esta es la clave, las variaciones de temperatura llenarían un patrón estadístico específico en todo el cielo.
A partir de la década de 1990, una serie de empresas de observación cada vez más refinadas (telescopios terrestres, de globos y espaciales) han buscado estas variaciones de temperatura. Y los encontré. De hecho, existe un acuerdo impresionante entre las predicciones teóricas y los datos de observación.
Y con eso, se podría pensar que se había confirmado el enfoque inflacionario. Pero como comunidad, los físicos son un grupo tan escéptico como jamás se encontrará. Con los años, algunos propusieron explicaciones alternativas para los datos, mientras que otros plantearon varios desafíos técnicos al enfoque inflacionario en sí. La inflación siguió siendo la teoría cosmológica líder, pero muchos sintieron que aún no se había encontrado la pistola humeante.
Hasta ahora.
Ondas en la tela del espacio
Del mismo modo que los campos dentro del espacio están sujetos a fluctuaciones cuánticas, la incertidumbre cuántica asegura que el espacio mismo también esté sujeto a fluctuaciones cuánticas. Lo que significa que el espacio debería ondularse como la superficie de una olla de agua hirviendo. Esto no es familiar por la misma razón por la que una mesa de granito parece lisa a pesar de que su superficie está plagada de imperfecciones microscópicas: las ondulaciones ocurren en escalas extraordinariamente pequeñas. Pero, una vez más, debido a que la expansión inflacionaria extiende las características cuánticas al macrorealismo, la teoría predice que las pequeñas ondulaciones brotan en ondas mucho más largas en el tejido espacial. ¿Cómo detectaríamos estas ondas, u ondas gravitacionales primordiales, como se llaman más propiamente? Por tercera vez, la reliquia omnipresente del Big Bang, la radiación cósmica de fondo de microondas, es el boleto.
Los cálculos muestran que las ondas gravitacionales imprimirían un patrón de torsión en la radiación de fondo, una huella digital icónica de expansión inflacionaria. (Más precisamente, la radiación de fondo surge de las oscilaciones en el campo electromagnético; la dirección de estas oscilaciones, conocida como polarización, se retuerce a raíz de las ondas gravitacionales). La detección de tales remolinos en la radiación de fondo ha sido reverenciada durante mucho tiempo como El estándar de oro para establecer la teoría inflacionaria, la pistola humeante largamente buscada.
El 12 de marzo, un comunicado de prensa que prometía un "descubrimiento importante", emitido por el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica, control terrestre de América del Norte para la misión Bicep2, envió rumores sin aliento a toda la comunidad física mundial. ¿Quizás se habían encontrado los remolinos? En la conferencia de prensa el 17 de marzo, se confirmaron los rumores. Después de más de un año de cuidadoso análisis de los datos, el equipo de Bicep2 anunció que había logrado la primera detección del patrón de ondas gravitacionales previsto.
Los remolinos sutiles en los datos recopilados en el Polo Sur atestiguan temblores cuánticos del espacio, estirados por la expansión inflacionaria, flotando a través del universo temprano.
¿Que significa todo esto?
El caso de la teoría inflacionaria ahora se ha fortalecido, coronando un siglo de agitación en cosmología. Ahora, no solo sabemos que el universo se está expandiendo, no solo tenemos una propuesta creíble para lo que encendió la expansión, estamos detectando la huella de los procesos cuánticos que cosquillearon el espacio durante esa ardiente primera fracción de segundo.
Pero siendo uno de esos físicos escépticos, aunque también es excitable, permítanme concluir con algún contexto para pensar en estos desarrollos.
El equipo de Bicep2 ha hecho un trabajo heroico, pero la plena confianza en sus resultados requerirá la confirmación de equipos independientes de investigadores. No tendremos que esperar mucho. Los competidores de Bicep2 también han estado en busca de los remolinos de microondas. Dentro de un año, quizás menos, algunos de estos grupos pueden informar sus hallazgos.
Lo que es seguro es que las misiones actuales y futuras proporcionarán datos cada vez más refinados que agudizarán el enfoque inflacionario. Tenga en cuenta que la inflación es un paradigma, no una teoría única. Los teóricos ahora han implementado la idea central de la explosión como gravedad repulsiva en cientos de formas (diferentes números de campos inflaton, diferentes interacciones entre esos campos, etc.), y cada uno de ellos generalmente genera predicciones ligeramente diferentes. Los datos de Bicep2 ya han revelado significativamente los modelos viables, y los datos futuros continuarán el proceso.
Todo esto se suma a un tiempo extraordinario para la teoría inflacionaria. Pero hay una lección aún más grande. Salvo la improbable posibilidad de que con mejores mediciones desaparezcan los remolinos, ahora tenemos una nueva ventana de observación sobre los procesos cuánticos en el universo temprano. Los datos de Bicep2 muestran que estos procesos ocurren en escalas de distancia más de un billón de veces más pequeñas que las probadas por nuestro acelerador de partículas más poderoso, el Gran Colisionador de Hadrones. Hace algunos años, junto con un grupo de investigadores, tomé una de las primeras incursiones para calcular cómo nuestras teorías de vanguardia de la teoría de cuerdas ultrapequeñas podrían probarse con observaciones de la radiación de fondo de microondas. Ahora, con este salto sin precedentes en el microrealm, puedo imaginar que estudios más refinados de este tipo pueden anunciar la próxima fase en nuestra comprensión de la gravedad, la mecánica cuántica y nuestros orígenes cósmicos.
La inflación y el multiverso
Finalmente, permítanme abordar un problema que hasta ahora he evitado cuidadosamente, uno que es tan maravilloso como especulativo. Un posible subproducto de la teoría inflacionaria es que nuestro universo puede no ser el único universo.
En muchos modelos inflacionarios, el campo inflatón es tan eficiente que incluso después de alimentar el impulso repulsivo de nuestro Big Bang, el campo está listo para alimentar otro big bang y otro más. Cada explosión produce su propio reino en expansión, con nuestro universo relegado a uno entre muchos. De hecho, en estos modelos, el proceso inflacionario suele ser interminable, es eterno y produce un número ilimitado de universos que pueblan un gran multiverso cósmico.
Con la evidencia de la acumulación del paradigma inflacionario, es tentador concluir que la confianza en el multiverso también debería crecer. Si bien simpatizo con esa perspectiva, la situación está lejos de ser clara. Las fluctuaciones cuánticas no solo producen variaciones dentro de un universo dado, un buen ejemplo son las variaciones de fondo de microondas que hemos discutido, sino que también implican variaciones entre los universos mismos. Y estas variaciones pueden ser significativas. En algunas encarnaciones de la teoría, los otros universos pueden diferir incluso en los tipos de partículas que contienen y las fuerzas que actúan.
En esta perspectiva enormemente ampliada de la realidad, el desafío es articular lo que la teoría inflacionaria realmente predice. ¿Cómo explicamos lo que vemos aquí, en este universo? ¿Tenemos que razonar que nuestra forma de vida no podría existir en los diferentes entornos de la mayoría de los otros universos, y es por eso que nos encontramos aquí, un enfoque controvertido que golpea a algunos científicos como una evasión? La preocupación, entonces, es que con la versión eterna de la inflación que genera tantos universos, cada uno con características distintas, la teoría tiene la capacidad de socavar nuestra razón de tener confianza en la inflación misma.
Los físicos continúan luchando con estas lagunas. Muchos confían en que estos son simples desafíos técnicos a la inflación que con el tiempo se resolverán. Tiendo a estar de acuerdo. El paquete explicativo de la inflación es tan notable, y sus predicciones más naturales están tan espectacularmente alineadas con la observación, que todo parece demasiado hermoso para estar equivocado. Pero hasta que se resuelvan las sutilezas planteadas por el multiverso, es aconsejable reservar el juicio final.
Si la inflación es correcta, los visionarios que desarrollaron la teoría y los pioneros que confirmaron sus predicciones merecen el Premio Nobel. Sin embargo, la historia sería aún más grande. Logros de esta magnitud trascienden al individuo. Sería un momento para que todos nos sintiéramos orgullosos y maravillados de que nuestra creatividad colectiva y nuestra visión revelaron algunos de los secretos más profundos del universo.
