Antes de examinar el cómo, permítaseme explicar por qué una fase inflacionaria ayuda a resolver algunos de los enigmas cósmicos que acabamos de enumerar. En primer lugar, la expansión cada vez mayor puede proporcionar una explicación convincente de por qué el gran pum fue así de grande. El efecto de la antigravedad es un proceso inestable e incontrolado, lo que equivale a decir que el tamaño del universo crece exponencialmente. Matemáticamente, esto significa que una región del espacio dada dobla su tamaño en un periodo determinado de tiempo. Llamemos tic a este periodo. Al cabo de dos tics, el tamaño se ha cuadruplicado; al cabo de tres tics, se ha incrementado ocho veces; al cabo de diez tics, la región se ha expandido más de mil veces. Un cálculo muestra que la tasa de expansión al final de la era inflacionaria es coherente con la tasa de expansión que se observa hoy. (En el capítulo 6, explicaré con más precisión lo que quiero decir con esto.)
El enorme salto en tamaño ocasionado por la inflación proporciona además una explicación adecuada para la uniformidad cósmica. Todas las regularidades iniciales se suavizaron al estirarse el espacio, de manera muy parecida a como desaparecen las arrugas de un globo al inflarlo. Del mismo modo, cualquier variación primitiva de la tasa de expansión en distintas direcciones se verían enseguida superadas por la inflación, la cual funciona con la misma energía en todas direcciones. Por último, las ligeras irregularidades reveladas por el COBE podrían atribuirse al hecho de que la inflación no terminara en todas partes en el mismo instante (por motivos que se examinarán en breve) de tal modo que ciertas regiones se habrían inflado algo más que otras, produciendo ligeras variaciones de densidad.
Pongamos algunas cifras. En la versión más sencilla de la teoría inflacionaria, la fuerza inflacionaria (antigravedad) resulta ser fantásticamente poderosa, haciendo que el universo doble su tamaño aproximadamente cada diez mil millonésima de billonésima de billonésima de segundo (10-34). Este tiempo casi infinitesimal es lo que he llamado un tic. Al cabo de sólo un centenar de tics, una región del tamaño de un núcleo atómico se habría inflado a un tamaño de cerca de un año luz de diámetro. Es lo suficientemente sencillo como para resolver los antedichos enigmas cosmológicos.
Acudiendo a la física de las partículas subatómicas se han descubierto diversos mecanismos posibles que podrían producir un comportamiento inflacionario. Todos estos mecanismos se basan en un concepto conocido como vacío cuántico. Para comprender qué supone esto, hace falta primero saber algo de física cuántica. La teoría cuántica empezó con un descubrimiento sobre la naturaleza de las radiaciones electromagnéticas, como el calor y la luz. Aunque esta radiación se propaga por el espacio en forma de ondas, puede comportarse no obstante como si consistiera en partículas. En concreto, la emisión y absorción de la luz se da en forma de pequeños paquetes (o cuantos) de energía, llamados fotones. Esta extraña amalgama de aspectos ondulatorios y corpusculares, que a veces se llama dualidad onda-corpúsculo, resultó ser aplicable a todas las entidades físicas a escala atómica y subatómica. Así, las entidades que normalmente consideramos partículas (tales como electrones, protones y neutrones) e incluso átomos enteros presentan aspectos ondulatorios en determinadas circunstancias.
Un principio esencial de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg, según el cual los objetos cuánticos no poseen valores netamente definidos para todos sus atributos. Por ejemplo, un electrón no puede tener al mismo tiempo una posición definida y un momento definido. Ni tampoco puede tener un valor definido de energía en un momento definido. La que nos interesa aquí es la incertidumbre del valor de la energía. Mientras que en el mundo macroscópico de los ingenieros la energía siempre se conserva (no puede crearse ni destruirse) esta ley puede quedar en suspenso en el reino cuántico subatómico. La energía puede cambiar, espontánea e impredeciblemente, de un momento al siguiente. Cuanto más corto sea el intervalo considerado, más grandes serán estas fluctuaciones cuánticas aleatorias. En efecto, la partícula puede tomar prestada energía de la nada, siempre que devuelva el préstamo enseguida. La forma matemática concreta del principio de incertidumbre de Heisenberg exige que un préstamo grande de energía deba devolverse enseguida, mientras que los préstamos pequeños admiten una mayor demora.
La incertidumbre energética lleva a algunos efectos curiosos. Entre ellos, la posibilidad de que una partícula, por ejemplo un fotón, puede aparecer repentinamente de la nada, para disolverse al poco tiempo. Estas partículas viven de energía prestada y por ello mismo de tiempo prestado. No las vemos porque su aparición es fugaz, pero lo que creemos normalmente espacio vacío es en realidad un hormiguero de montones de tales partículas de existencia temporal: no sólo fotones, sino electrones, protones y demás. Para diferenciar estas partículas temporales de las permanentes, las que nos son más familiares, a las primeras se las llama «virtuales» y a las segundas «reales».
Prescindiendo de su naturaleza temporal, las partículas virtuales son idénticas a las reales. De hecho, si se aporta energía suficiente por el medio que sea desde fuera del sistema para liquidar el préstamo de energía de Heisenberg, entonces una partícula virtual puede convertirse en real, indistinguible como tal de cualquier otra partícula real de la misma especie. Por ejemplo, un electrón virtual sobrevive por término medio sólo unos 10-21 segundos. Durante su breve vida no se está quieto, sino que puede viajar una distancia de unos 10-11 centímetros (como comparación, un átomo tiene un tamaño de unos 10-8 centímetros) antes de desvanecerse. Si el electrón virtual recibe energía durante este breve tiempo (por ejemplo, procedente de un campo electromagnético) no le hará falta desvanecerse después de todo, sino que podrá continuar existiendo como un electrón perfectamente normal.
Aunque no podamos verlos, sabemos que estas partículas virtuales «sí están ahí» en el espacio vacío porque dejan un rastro detectable de sus actividades. Por ejemplo, uno de los efectos de los fotones virtuales es el de producir un cambio diminuto en los niveles de energía de los átomos. También originan un cambio igualmente diminuto en el momento magnético de los electrones. Estas alteraciones minúsculas pero significativas se han medido con mucha precisión utilizando técnicas espectroscópicas.
La imagen sencilla del vacío cuántico dado anteriormente se modifica cuando se tiene en cuenta el hecho de que las partículas subatómicas por lo general no se mueven libremente, sino que están sujetas a una diversidad de fuerzas: el tipo de fuerza depende del tipo de la partícula de que se trate. Estas fuerzas actúan asimismo entre las partículas virtuales. Puede darse entonces el caso de que exista más de un tipo de estado de vacío. La existencia de muchos «estados cuánticos» posibles es un rasgo familiar de la física cuántica: los más conocidos son los diversos niveles de energía de los átomos. Un electrón que orbita alrededor de un núcleo atómico puede existir en determinados estados bien definidos con energías definidas. El nivel inferior se llama estado base y es estable; los niveles superiores son estados excitados y son inestables. Si se hace subir a un electrón a un estado superior, bajará hasta el estado base en una o varias etapas. El estado excitado «decae» con una vida media bien definida.
Al vacío, que puede tener uno o más estados excitados, se le aplican principios similares. Estos estados tendrían energías muy diferentes, aunque lo cierto es que parecerían idénticos: parecerían el vacío. El estado de menor energía, o base, suele llamarse a veces vacío auténtico, por reflejar el hecho de que es el estado estable y el que supuestamente se corresponde con las regiones vacías del universo tal y como lo observamos hoy. Al vacío excitado se le suele llamar falso vacío.
Debería insistirse en que los falsos vacíos siguen siendo una idea puramente teórica y en que sus propiedades dependen en buena medida de la teoría concreta que se invoque. Sin embargo, surgen de forma natural en las teorías más recientes que pretenden unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: gravitación y electromagnetismo, familiares en nuestra vida diaria, y dos fuerzas nucleares de corto alcance llamadas fuerza débil y fuerza fuerte. La lista ha sido más larga: electricidad y magnetismo estuvieron consideradas en tiempos como cosas distintas. El proceso de unificación comenzó a principios del siglo XIX y ha seguido avanzando en las últimas décadas. Hoy se sabe que las fuerzas electromagnética y la nuclear débil están vinculadas y forman una única «fuerza electrodébil». Muchos físicos están convencidos de que la fuerza nuclear fuerte resultará estar vinculada a la fuerza electrodébil, asociación que de un modo u otro describen las llamadas teorías de gran unificación. Bien puede ser que las cuatro fuerzas se fundan en una única super-fuerza a determinado grado de profundidad.
El candidato mejor colocado como mecanismo inflacionario lo predicen las diversas teorías de gran unificación. Un rasgo clave de estas teorías es que la energía del falso vacío es fabulosa: por término medio un centímetro cúbico de espacio albergaría ¡1087 julios! Incluso un volumen atómico contendría en tal estado 1062 julios. Compárese con los míseros 10-18 julios, más o menos, que posee un átomo excitado. De tal modo que haría falta una enorme cantidad de energía para excitar el falso vacío y no debemos esperar encontrar en el universo actual un falso vacío. Por otro parte, dadas las condiciones extremadas del gran pum, esas cifras son plausibles.
La inmensa energía asociada a los estados de falso vacío tiene un potente efecto gravitatorio. Cosa que ocurre porque, tal y como Einstein nos ha enseñado, la energía tiene masa y por ello ejerce una atracción gravitatoria, al igual que le ocurre a la materia normal. La enorme energía del vacío cuántico es extremadamente atractiva: la energía de un centímetro cúbico de falso vacío Pesaría 1067 toneladas, que es más de lo que pesa el universo observable hoy al completo (¡unas 10^50 toneladas!). Esta colosal gravedad no contribuye a producir inflación, proceso que requiere alguna forma de antigravedad. Sin embargo, la inmensa energía de falso vacío va asociada a una igualmente inmensa presión de falso vacío y es esta presión la que hace el trabajo. Normalmente no solemos pensar en la presión como fuente de gravedad, pero lo es. Aunque la presión ejerce una fuerza mecánica hacia el exterior, da origen a un tirón gravitatorio hacia el interior. En el caso de los cuerpos que nos son familiares, el efecto gravitatorio de la presión es despreciable en comparación con el efecto de la masa de esos cuerpos. Por ejemplo, menos de una mil millonésima parte del peso de nuestro cuerpo en la Tierra se debe a la presión interna de la Tierra. Sin embargo, el efecto de la presión es real, y en un sistema en el que la presión llega a valores altísimos, el efecto gravitatorio de la presión puede competir con el de la masa.
En el caso del falso vacío, existen una energía colosal y una presión igual de colosal, de modo que compiten por la dominancia gravitatoria. Sin embargo, la propiedad crucial es la de que la presión es negativa. El falso vacío no empuja: chupa. Una presión negativa produce un efecto gravitatorio negativo: lo que equivale a decir que antigravita. De modo que la acción gravitatoria del falso vacío supone una competencia entre el inmenso efecto atractivo de su energía y el inmenso efecto repulsivo de su presión negativa. El resultado es que gana la presión y que el efecto neto es el de crear una fuerza repulsiva tan grande que puede reventar el universo y separarlo en una fracción de segundo. Es este empujón inflacionario gargantuesco el que hace que el universo doble su tamaño rapidísimamente, cada 10-34 segundos.
El falso vacío es en sí mismo inestable. Como todos los estados cuánticos excitados, aspira a volver al estado base, al auténtico vacío. Probablemente eso ocurre al cabo de unas pocas docenas de tics. Al ser un proceso cuántico, está sujeto al inevitable determinismo y a las fluctuaciones aleatorias que se han examinado anteriormente en relación con el principio de incertidumbre de Heisenberg. Lo cual significa que la vuelta al estado base no se dará uniformemente en todo el espacio: habrá fluctuaciones. Y algunos teóricos sugieren que esas fluctuaciones pueden ser la fuente de las ondulaciones captadas por el COBE.
Una vez que el falso vacío desaparece, el universo vuelve a su expansión normal cada vez más lenta. Se libera la energía que ha estado encerrada en el falso vacío, apareciendo en forma de calor. La enorme distensión producida por la inflación ha enfriado al universo hasta llegar a una temperatura muy próxima al cero absoluto; repentinamente, el final de la inflación lo recalienta hasta la prodigiosa de 1028 grados. Este vasto reservorio de calor sobrevive hoy, en una forma abrumadoramente disminuida, como radiación cósmica de calor de fondo. Subproducto de la liberación de la energía del vacío es que muchas partículas virtuales del vacío cuántico absorben parte de ella y pasan a ser partículas reales. Después de otros procesos y cambios posteriores, un remanente de estas partículas primordiales pasa a proporcionar las 1050 toneladas de materia que nos componen a nosotros mismos, a la galaxia y al resto del universo observable.
Si esta escena inflacionaria está en lo cierto (y no pocos cosmólogos lo creen así), entonces la estructura básica y el contenido físico del universo quedaron determinados por los procesos que se terminaron en cuanto transcurrió el brevísimo lapso de 10-32 segundos. El universo postinflacionario pasó por otros muchos cambios de tipo subatómico conforme la materia primigenia fue transformándose en las partículas y átomos que constituyen la materia cósmica de nuestra época, aunque la mayor parte del procesado adicional de materia quedó completo al cabo de tan sólo tres minutos, más o menos.
¿Cómo se relacionan los tres primeros minutos con los tres últimos? Así como el destino de la bala disparada hacia el blanco depende esencialmente de la puntería del arma, así depende sensiblemente el destino del universo de sus condiciones iniciales. Veremos cómo la manera en que se expandió el universo a partir de sus orígenes primigenios y cómo la naturaleza de la materia que surgió del gran pum son las que determinan su futuro definitivo. El Principio y el final del universo están profundamente entrelazados.
(FIN)
