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Teoría Cosmológica de la Inflación
La
teoría del Big Bang
fue construida a partir de las contribuciones de Einstein y el
astrónomo holandés Willem de Sitter (1917), el físico
y matemático belga Georges Lemaitre (1948), el matemático
ruso Alexander Friedmann (1922), y por el físico ruso George
Gamow y sus dos colegas norteamericanos Robert Herman y Ralph
Alpher de la universidad de George Washington. Refinamientos
posteriores al modelo mostraron que éste es más
preciso si se introduce un mecanismo de "inflación"
que genera un crecimiento acelerado del radio del universo haciendo
que crezca, en una fracción de segundo, de un valor de
una diez millonésima parte del radio de un protón
al valor de cien millones de años luz.
La hipótesis
inflacionaria, propuesta originalmente en 1980 por Alan H. Guth del MIT
y por Andrei D. Linde del Instituto Lebedev de Ciencias Físicas
de Moscú, ha sido desarrollada hasta el punto de ser aceptada
como elemento esencial del Big Bang
ya que resuelve sus más graves
problemas.
Los Problemas del Big Bang
El Big Bang tiene dos problemas serios:
- El problema de la causalidad (o problema del horizonte):
El valor promedio de la temperatura de la radiación cósmica de fondo
es el mismo en todas las direcciones. ¿Por qué sucede esto?
Según el Big Bang, dos puntos de la
esfera celeste separados por más de 2 grados jamás pudieron estar en contacto en el
pasado (esto debido a que la velocidad de la luz es finita).
Para que el fondo de radiación entre en equilibrio a la misma temperatura
es necesario que todos sus puntos puedan tener contacto térmico.
- El problema de la planitud:
Para entender los argumentos expuestos en esta sección se recomienda
ver primero la definición del parámetro de densidad
W (Omega en el alfabeto griego). La
densidad del universo que observamos hoy es muy cercana a la
densidad crítica
(es decir W = 0.2 - 1.0). Las ecuaciones de la teoría de la
Relatividad General
indican que si el parámetro W comenzó con un valor
de 1, entonces este valor se mantiene constante a medida que el
universo se expande. Pero si al comienzo, W
es diferente de 1 con la expansión W
se aleja rápidamente de su valor inicial y por lo tanto se
esperaría que el valor de W actual sea muy diferente a 1.
En resumen, W
debe ser exactamente 1 o muy lejos de 1. Esto se debe a que las
ecuaciones para la evolución de omega dan una solución de equilibrio
inestable en torno al valor de 1. Entonces, ¿Cómo es posible que hoy W
sea tan cercano a 1?
La geometría del universo
es plana para W = 1, de
ahí el nombre “Planitud”).
¿Qué indican las observaciones?
La Inflación resuelve los Problemas del Big Bang
A continuación se enumeran los fundamentos y las consecuencias del
marco teórico inflacionario desarrollado por Guth, Starobinsky y Linde:
-
El universo que observamos es apenas una fracción del universo entero.
Con la inflación el espacio se expande aceleradamente, la parte del
universo que podemos observar está limitada por la velocidad finita de
la luz. Estamos en el centro de una esfera (de radio =
edad del universo * velocidad de la luz) más allá
de la cual no podemos saber
nada. Este límite se llama el horizonte.
-
La inflación explica el origen del universo a partir de la nada (vacío). Si
consideramos la naturaleza cuántica de la
materia y los campos
el vacío
no es una entidad carente absolutamente de energía. El
principio de incertidumbre de Heisemberg
permite la aparición repentina de pares
partícula-antipartícula
que rápidamente desaparecen. La existencia de
estos pares virtuales forma una presión negativa (esta posibilidad se
llama el efecto Casimir y ha sido verificada experimentalmente).
-
En la teoría de la Relatividad General
no solamente la densidad de masa
es fuente de atracción gravitacional. La gravedad resulta de la suma
de la densidad de masa (energía) y la presión. Si esta suma es positiva
la gravedad es atractiva (como lo decía Newton), y si la suma es
negativa la gravedad es repulsiva.
-
En el modelo inflacionario el universo al comienzo del tiempo pasa por
una época en la que el vacío provee suficiente presión negativa para
provocar una expansión acelerada del espacio. Esta burbuja puede brotar
espontáneamente a partir del vacío por un proceso que en
mecánica cuántica
se llama efecto “túnel”.
-
El problema del horizonte desaparece con la inflación ya que toda la
región del universo a la que tenemos acceso proviene de una región muy
pequeña antes de la inflación dentro de la cual todas sus partes
estaban en contacto causal.
-
El problema de la planitud
también queda resuelto con la inflación. El
proceso de la expansión acelerada hace que la curvatura del espacio
tienda siempre hacia una geometría plana
(W = 1).
Este proceso es similar
a lo que ocurre cuando inflamos un globo hasta alcanzar un tamaño muy
grande, por ejemplo si nos imaginamos que la Tierra es el globo inflado
podemos apreciar que a escalas humanas la curvatura de la Tierra es
imperceptible (la Tierra parece plana).
-
El modelo explica el espectro de perturbaciones primordiales en la
distribución de materia. Estas fluctuaciones crecen por acción de la
gravedad y dan origen a la formación de galaxias y estructura en el
universo. En el modelo inflacionario las perturbaciones en la densidad
son producidas por fluctuaciones cuánticas del vacío. Las predicciones
del modelo indican que la amplitud de las fluctuaciones es la misma
para todas las escalas (por escala se entiende el tamaño de las
regiones afectadas por la fluctuación en densidad).
Esta predicción
es consistente con las
observaciones de anisotropias
en la
radiación cósmica de fondo.