Volumen 8 - Nº45 - MARZO/ABRIL 1998

Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la
Asociación Ciencia Hoy

ARTICULO

Inflación y Caos

En este sentido han existido progresos importantes durante los últimos quince años en el entendimiento cualitativo de los sucesos ocurridos en los primeros estadios de la evolución del universo. El eje central ha sido la incorporación del caos en estos estudios. Siendo como fueron las energías puestas en juego durante ese periodo extremadamente grandes, la descripcion del campo gravitatorio requiere que se utilice la Teoria de la Relatividad General propuesta por Einstein son no lineales, resulto razonable pensar que las tecnicas y metodos de estudio del caos (mas formalmente, de la Teoria de los Sistemas Dinamicos) podrian ser de utilidad cuando se las aplicase al universo. Pero veamos primero que imagen general podemos hacernos de nuestro viejo universo.

Detalles de Hubble Deep Field. (Instituto Científico del Telescopio Espacial, NASA)

Las observaciones precedentes son las que conducen al esquema que denominamos modelo cosmológico estándar. En él se supone que nuestro universo nació de una singularidad cósmica, un estado de tan alta presión y temperatura que nada, ni la energía (o la materia) ni siquiera el tiempo existían tal como los conocemos ahora. Por algún mecanismo no muy bien determinado, pero probablemente un efecto mecano-cuántico, se inició una gigantesca expansión de esta singularidad (el Big Bang). Se presume que al comienzo la materia y la radiación se encontraban en equilibrio térmico a muy alta temperatura, con la radiación regulando todos los procesos físicos (esta es la así llamada "era dominada por la radiación").

A medida que el universo se fue expandiendo, la mezcla primigenia de materia y radiación se fue enfriando. Cuando la temperatura descendió lo suficiente, los electrones libres se unieron a los núcleos para formar los átomos, por lo que rompieron el equilibrio térmico entre materia y radiación, y el universo se volvió transparente. Toda la radiación que existía en aquella época, al no interactuar más con la materia, ha continuado su viaje, aumentando su longitud de onda (corriéndose hacia el rojo), siguiendo el proceso general de expansión (de la misma forma que el dibujo de un resorte sobre un globo se estira al inflarse este). Hoy se encuentra presente en el espacio que nos rodea.

El MCE se basa en tres pilares fundamentales. El primero es la observación, inicialmente llevada a cabo por Edwin P. Hubble a fines de la década del 20, de que la luz proveniente de las galaxias lejanas está corrida hacia frecuencias más bajas (corrimiento al rojo), en forma proporcional a la distancia que las separa de la Tierra. Este corrimiento se interpreta como una velocidad de retroceso, o alejamiento, e indica que el universo está en expansión (tres puntos dibujados en un globo se alejan, al inflarlo, con velocidad proporcional a la distancia entre ellos). Extrapolando hacia el pasado, a partir de la tasa de expansión actual, los astrónomos deducen que el Big Bang habría ocurrido unos 10.000 o 20.000 millones de años atrás. La imprecisión refleja la incerteza acerca de las distancias galácticas, la cantidad de materia en el universo (la que afecta la tasa de expansión) y otros factores de menor importancia.

El segundo pilar es la existencia de un fondo de radiación cósmica de microondas (FRCM) (ver CIENCIA HOY "La exploración del fondo cósmico", 19:6-10, 1992), descubierto en 1965 por Arno A. Penzias y Robert Wilson, de la Bell Telephone Laboratories. El FRCM es el remanente de la intensa radiación electromagnética primordial que, una vez formados los átomos, comenzó a viajar libremente. Este fondo homogéneo e isótropo (hasta cinco partes por millón, de acuerdo con las recientes mediciones del satélite COBE) posee una temperatura aproximada de 2,73 K (es decir, muy cerca del cero absoluto). Su existencia fue uno de los argumentos más fuertes que sustentaron, en su momento, al MCE.

Finalmente, el tercer pilar lo proporciona la abundancia relativa de elementos observada en nuestro universo: el hidrógeno da cuenta de unas tres cuartas partes de la masa total y el helio, de un cuarto, con sólo trazas de los elementos más pesados. Varios físicos han calculado que, en un universo caliente, el Big Bang habría forjado los elementos en la proporción medida (a través del proceso convencional de fusión nuclear). A esta etapa de la evolución se la denomina nucleosíntesis.

Como dijimos, debido a la intensidad de las fuerzas involucradas, en el MCE el campo gravitatorio se describe mediante la Teoría de la Relatividad General de Einstein (TRG). El Universo es así representable como un espacio-tiempo cuadridimensional con ciertas propiedades matemáticas. Teniendo en cuenta las características de homogeneidad e isotropía del Universo, toda la estructura matemática se puede modelar con una sola función temporal, conocida como el factor de escala (o más vagamente: el radio) del Universo.

Hasta aquí hemos descrito las bases que sustentan al MCE. Veamos algunos de sus defectos. Existe el llamado "problema de la homogeneidad". ¿Por qué el fondo cósmico de radiación tiene la misma temperatura sin importar dónde se lo mida? Los cálculos sugieren que la bola de fuego primordial se expandió demasiado rápido para que todas sus partes intercambiaran radiación y así alcanzaran equilibrio térmico. ¿Cómo es que está todo a la misma temperatura?

Se encuentra también el denominado "problema de la planitud", originado en la TRG que establece que la materia, a través de la influencia de la gravedad, ocasiona que el espacio se curve. Este efecto tiene consecuencias desagradables en un universo en expansión. Si la cantidad de materia por unidad de volumen en el universo (esto es, su densidad de masa) está sobre cierto nivel critico, el espacio se curva sobre sí mismo de tal manera que las líneas paralelas convergen. Aún más significativamente, la gravedad podría frenar la expansión del Universo y ocasionar el colapso en un gran estrujamiento (el Big Crunch) -a tal universo se lo denomina cerrado-. Si la densidad de masa cae debajo del nivel crítico, las líneas paralelas divergen y el universo se expande por siempre -conocido como universo abierto-. Si la densidad de energía es precisamente la crítica, el universo se mantiene en expansión por siempre, pero a una tasa cada vez menor. Este se denomina universo plano, ya que el espacio no posee curvatura: las líneas paralelas se comportan exactamente como Euclides postuló que lo hacen y como se comportan en nuestra realidad cotidiana. Las observaciones actuales sugieren fuertemente que el universo es casi plano. Diversos cosmólogos han argumentado que el carácter aparentemente plano del universo representa una extraordinaria coincidencia. Si el universo hubiera tenido un poco más de materia de la que tiene, habría colapsado hace largo tiempo; un poco menos y se habría expandido demasiado rápidamente como para que las estrellas y galaxias pudieran formarse. Esta situación tan peculiar corresponde a condiciones iniciales muy restrictivas (de muy fina sintonización), al comienzo de la evolución.

Para resolver estos problemas se ha postulado el modelo del Universo Inflacionario. En él se sugiere que en el universo primitivo existió un período de expansión donde el factor de escala creció exponencialmente. De acuerdo con este esquema, todo el Universo observable no es más que una pequeña burbuja en un cosmos vastamente más grande, y la mayor parte de la materia fue creada virtualmente de la nada. Toda la radiación dentro de esta pequeña región pudo mantenerse en equilibrio térmico y no existe contradicción con las observaciones presentes.

Asimismo, la inflación provee una respuesta al problema de la planitud: de la misma forma que inflar un globo hasta mil veces su tamaño normal provoca que su superficie se vea más plana para un observador cercano (más precisamente para un observador que viva sobre la superficie), así la inflación aplana la región del universo que puede ser observada. En tal universo plano, la densidad de materia se fija en el nivel crítico.

La inflación aun brinda una explicación para la formación de galaxias. De acuerdo con la física cuántica, todo campo de energía fluctúa constantemente en intensidad a nivel subatómico. Los picos creados por estas fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo se habrían vuelto lo suficientemente grandes, después de la inflación, como para servir de semillas de estrellas y galaxias. La gravedad habría hecho el resto del trabajo.

El modelo del Universo Inflacionario debe desembocar en el MCE, por lo tanto, en algún momento, la inflación debe detenerse y el universo evolucionar en una forma dominada por la radiación -como el MCE lo predice para el universo primitivo-. En los modelos más simplificados esto se logra simulando la radiación mediante un solo campo, con determinadas propiedades matemáticas: que no tenga masa y tenga un acoplamiento muy simple con la gravedad. La dinámica de estos modelos ha sido estudiada en detalle y presenta un comportamiento muy sencillo. Sin embargo, ciertos efectos presentes en las teorías de campo (lo que se ha llamado "rotura espontánea de simetría"), pueden ocasionar que este campo escalar adquiera masa y aumente notablemente la complejidad del sistema. Aquí es donde el caos entra en juego (ver recuadro "Sistemas dinámicos y caos").