UNA EDAD DE ORO DE LA COSMOLOGÍA [

[Alan Guth:] A pesar de que la cosmología no tiene mucho que ver con la información, que sin duda tiene mucho que ver con la revolución y transiciones de fase. De hecho, está conectado a transiciones de fase, tanto en el literal y el sentido figurado de la frase.

A menudo se dice – y yo creo que este dicho fue iniciado por el difunto David Schramm – que hoy estamos en una edad de oro de la cosmología. Eso es muy cierto. Cosmología en este tiempo está pasando por una transición de ser un montón de especulaciones a ser una rama de la ciencia genuina duro, donde las teorías pueden ser desarrollados y probados con observaciones precisas. Una de las zonas más interesantes de esto es la predicción de las fluctuaciones, las uniformidades de lucro, en la radiación cósmica de fondo, un área que he estado muy involucrado pulg Creemos que de esta radiación como el resplandor del calor de el Big Bang. Una de las características notables de la radiación es que es uniforme en todas las direcciones, con una precisión de una parte en cien mil, después de restar el término que está relacionado con el movimiento de la Tierra a través de la radiación de fondo.

He estado muy involucrado en una teoría llamada del universo inflacionario, que parece ser la mejor explicación para esta uniformidad. La uniformidad es difícil de entender. Se podría pensar inicialmente que tal vez la uniformidad podría explicarse por los mismos principios de la física que causan una rebanada de pizza caliente a hacer frío cuando lo sacas del horno, las cosas tienden a venir a una temperatura uniforme. Pero una vez que las ecuaciones de la cosmología fueron elaborados, por lo que se podría calcular qué tan rápido el universo se estaba expandiendo en cualquier momento dado, los físicos pudieron calcular cuánto tiempo había para esta uniformidad para establecer pulg

Encontraron que, a fin de que el universo se han convertido en uniforme lo suficientemente rápido para dar cuenta de la uniformidad que vemos en la radiación cósmica de fondo, la información tendría que haber sido transferidos a aproximadamente un centenar de veces la velocidad de la luz. Pero de acuerdo con todas nuestras teorías de la física, nada puede viajar más rápido que la luz, así que no hay manera de que esto podría haber sucedido. Así que la versión clásica de la teoría del Big Bang, simplemente había que empezar por asumir que el universo es homogénea – completamente uniforme – desde el principio.

La teoría del universo inflacionario es un add-on para la teoría estándar del Big Bang, y básicamente lo que se suma es una descripción de lo que impulsó el universo en expansión en el primer lugar. En la versión clásica de la teoría del Big Bang, que la expansión fue presentado como parte de los supuestos iniciales, así que no hay explicación para lo que sea. La teoría clásica del Big Bang nunca fue realmente una teoría de una explosión, sino que era realmente una teoría acerca de las consecuencias de una explosión. La inflación se ofrece una posible respuesta a la pregunta de lo que hizo la explosión universo, y ahora parece que es casi seguro que la respuesta correcta.

La teoría inflacionaria se aprovecha de los resultados de la física de partículas modernos, que predice que a muy altas energías no debería existir clases particulares de sustancias que se convierten en realidad la gravedad en la cabeza y producir fuerzas gravitatorias repulsivas. La explicación de la inflación es la idea de que el universo primitivo contiene al menos una porción de esta sustancia peculiar. Resulta que todo lo que necesita es un parche, sino que en realidad puede ser más de mil millones de veces más pequeño que un protón.Pero una vez dicho parche existe, su repulsión gravitacional propio hace crecer, convirtiéndose rápidamente en lo suficientemente grande como para abarcar todo el universo observado.

La teoría inflacionaria da una explicación sencilla para la uniformidad del universo observado, ya que en el modelo inflacionario del universo comienza increíblemente pequeña. Había un montón de tiempo para una pequeña región para alcanzar una temperatura uniforme y una densidad uniforme, por los mismos mecanismos a través del cual el aire de una habitación alcanza una densidad uniforme en toda la habitación. Y si usted aisló en una habitación y dejar que repose lo suficiente, llegará a una temperatura uniforme. Para el pequeño universo con el que el modelo inflacionario empieza, hay tiempo suficiente en la historia temprana del universo para que estos mecanismos funcionan, haciendo que el universo a ser casi perfectamente uniforme. A continuación, se hace cargo de la inflación y magnifica esta pequeña región a ser lo suficientemente grande como para abarcar todo el universo, el mantenimiento de esta uniformidad ya que la expansión tiene lugar.

Durante un tiempo, cuando la teoría fue desarrollada por primera vez, estábamos muy preocupados de que nos volveríamos a conseguir uniformidad demasiado.Una de las características sorprendentes del universo es como es uniforme, pero aún así es de ninguna manera completamente uniforme. Tenemos galaxias y estrellas y cúmulos y todo tipo de complicada estructura en el universo que hay que explicar. Si el universo empezó completamente uniforme, sólo quedaría completamente uniforme, ya que no habría nada que hacer que la materia recoger aquí o allí o en cualquier lugar en particular.

Creo que Stephen Hawking fue el primero en sugerir lo que ahora creo que es la respuesta a este enigma. Señaló – aunque sus primeros cálculos eran inexactas – que los efectos cuánticos podrían venir a nuestro rescate. El mundo real no es descrito por la física clásica, y aunque esto era muy «high-brow» física, en realidad estábamos describiendo cosas totalmente clásica, con ecuaciones deterministas. El mundo real, de acuerdo a lo que entendemos acerca de la física, se describe mecánica cuántica, es decir, en el fondo, de que todo tiene que ser descrito en términos de probabilidades.

El «clásico» del mundo que percibimos, en la que cada objeto tiene una posición definida y se mueve de una manera determinista, es en realidad el promedio de las diferentes posibilidades que la teoría cuántica completa sería predecir. Si se aplica este concepto aquí, es por lo menos cualitativamente claro desde el principio que nos lleva en la dirección que queremos ir. Esto significa que la densidad uniforme, que nuestras ecuaciones clásicas predecían, sería realmente sólo el promedio de las densidades de la mecánica cuántica, que tienen un rango de valores que pueden variar de un lugar a otro. La incertidumbre de la mecánica cuántica haría que la densidad del universo primitivo un poco más alto en algunos lugares, y en otros lugares sería un poco más bajo.

Así, al final de la inflación, esperamos tener ondulaciones en la parte superior de una densidad casi uniforme de la materia. Es posible calcular en realidad estas ondas. Debo confesar que todavía no sabemos lo suficiente sobre la física de partículas para predecir realmente la amplitud de estas ondas, la intensidad de las ondas, pero lo que podemos calcular es la forma en la que la intensidad depende de la longitud de onda de las ondas. Es decir, hay ondas de todos los tamaños, y se puede medir la intensidad de las ondas de diferentes tamaños. Y se puede hablar de lo que llamamos el espectro – usamos esa palabra exactamente la forma en que se utiliza para describir las ondas sonoras. Cuando hablamos del espectro de una onda de sonido, estamos hablando de cómo la intensidad varía con las diferentes longitudes de onda que componen esa onda de sonido.

Hacemos exactamente lo mismo en los inicios del universo, y hablar acerca de cómo la intensidad de estas ondas en la densidad de masa del universo temprano varió con las longitudes de onda de las ondas diferentes que estamos viendo.Hoy en día podemos ver esas ondulaciones en la radiación cósmica de fondo. El hecho de que podamos ver en absoluto es un éxito absolutamente fantástico de la tecnología moderna. Cuando estábamos antes hacer estas predicciones en 1982, en ese momento los astrónomos apenas había sido capaz de ver el efecto del movimiento de la Tierra a través de la radiación cósmica de fondo, que es un efecto de aproximadamente una parte en mil. Las ondas que estoy hablando son sólo una parte en cien mil – sólo el uno por ciento de la intensidad del efecto más sutil que había podido observar en el momento que fueron los primeros en hacer estos cálculos.

Nunca creí que volvería a ver realmente estas ondas. Me parecía demasiado inverosímil que los astrónomos llegaría a ser cien veces mejor en la medición de estas cosas de lo que eran en ese momento. Pero, para mi asombro y deleite, en 1992, estas ondas se detectaron por primera vez por un satélite llamado COBE, el Explorador del Fondo Cósmico, y ahora tenemos mucho mejores que las mediciones del COBE, la cual tenía una resolución angular de unos 7 grados. Esto significaba que sólo podía ver las ondas de mayor longitud de onda. Ahora tenemos mediciones que bajan a una fracción de un grado, y estamos obteniendo mediciones muy precisas de cómo ahora la intensidad varía con la longitud de onda, con un éxito maravilloso.

Alrededor de un año y medio atrás, se produjo un espectacular conjunto de anuncios de experimentos llamados BOOMERANG y MAXIMA, ambos experimentos basados en globo, lo que dio una fuerte evidencia de que el universo es geométricamente plano, que es precisamente lo que la inflación predice. (Por plano no me refiero a dos dimensiones; Sólo quiero decir que no es el espacio tridimensional del universo en curva, como podría haber sido, según la relatividad general.) En realidad se puede ver la curvatura del espacio en la manera que el patrón de ondulación se ha visto afectada por la evolución del universo. Un año y medio atrás, sin embargo, había una discrepancia importante que la gente preocupada, y nadie estaba seguro de qué tan grande de un acuerdo para hacer de ella. El espectro estaban midiendo era un gráfico que tenía, en principio, varios picos. Estos picos tenía que ver con oscilaciones sucesivas de las ondas de densidad en el universo primitivo, y un fenómeno llamado resonancia que hace que algunas longitudes de onda más intensa que otros. Las mediciones mostraron que el primer pico muy bien, exactamente donde esperábamos que fuera, con sólo la forma que se esperaba. Pero no podía ver el segundo pico.

Con el fin de ajustar los datos con las teorías, la gente tenía que asumir que había cerca de diez veces más muchos protones en el universo como realmente pensaba, porque los protones extra daría lugar a un efecto de fricción que podría hacer que el segundo pico desaparecer. Por supuesto que todo experimento tiene algunas incertidumbres – si un experimento se realiza muchas veces, los resultados no serán exactamente los mismos cada vez. Así que podemos imaginar que el segundo pico no fue visto por el mero hecho de mala suerte. Sin embargo, la probabilidad de que el pico podría ser tan invisible, si el universo contenía la densidad de protones que se indica mediante otras medidas, se redujo a aproximadamente el nivel del uno por ciento. Por lo tanto, había una discrepancia muy seria de aspecto entre lo observado y lo que era de esperar. Todo esto cambió radicalmente para mejor unos 3 o 4 meses, con el siguiente grupo de anuncios con mediciones más precisas. Ahora, el segundo pico no sólo es visible, sino que tiene exactamente la altura que se esperaba, y todo lo relacionado con los datos ahora encaja perfectamente con las predicciones teóricas. Demasiado bueno, de verdad. Estoy seguro de que va a empeorar antes de que continúa mejorando, dadas las dificultades para hacer este tipo de mediciones. Pero tenemos un hermoso cuadro que ahora parece que se confirma la teoría inflacionaria del universo temprano.

Nuestra imagen actual del universo tiene un nuevo giro, sin embargo, que fue descubierto dos o tres años. Para hacer las cosas en forma, para que coincida con las observaciones, las cuales ahora están recibiendo muy claro, tenemos que asumir que hay un nuevo componente de la energía en el universo que no sabía que existía antes. Este nuevo componente que normalmente se conoce como «energía oscura». Como su nombre lo indica claramente, todavía no sabemos exactamente lo que este nuevo componente es. Es un componente de la energía que de hecho es muy parecida a la cuestión gravedad repulsiva que hablé antes – el material que impulsa la inflación en el universo temprano. Parece que, de hecho, hoy en día el universo está lleno de una clase similar de la materia. El efecto anti-gravedad es mucho más débil que el efecto de que estaba hablando en el universo temprano, pero hoy el universo aparece muy claramente que empieza a acelerar de nuevo bajo la influencia de esta energía oscura llamada.

A pesar de que estoy tratando de anunciar que hemos entendido mucho, y tenemos, hay todavía muchas incertidumbres. En particular, todavía no sé lo que la mayor parte del universo está hecho de. Hay la energía oscura, que parece comprender, de hecho, alrededor del 60% del total de masa / energía del universo. No sabemos lo que es. Podría ser en realidad la energía del propio vacío, pero no sabemos a ciencia cierta. Además, hay lo que llamamos materia oscura, que es otro 30%, o tal vez casi el 40%, del total de materia en el universo, no sabemos lo que es eso, tampoco. La diferencia entre los dos es que la energía oscura hace que la gravedad repulsiva y se distribuye sin problemas, la materia oscura se comporta como la materia ordinaria en términos de sus propiedades gravitatorias – que es atractivo y agrupaciones ella, pero no sabemos lo que está hecho. Las cosas que sé acerca de – protones, neutrones, átomos y moléculas ordinarias – parecen comprender sólo un 5% de la masa del universo.

La moraleja de la historia es que tenemos mucho que aprender. Al mismo tiempo, las teorías que se han desarrollado hasta el momento parece estar funcionando casi sorprendentemente bien. 

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