Antes del Big Bang

La carrera de Alan Guth estaba en el aire. Como ambicioso postdoctorado en la Universidad de Cornell en 1978, Guth estaba buscando una manera de contribuir a su campo de la física de partículas, pero su investigación había atraído poco interés. También necesitaba encontrar un trabajo permanente para mantener a su esposa, Susan, y al bebé, Larry. Pero su búsqueda de trabajo tampoco había salido bien.

Ese otoño, un trío de cosmólogos, o teóricos del universo temprano, había ganado el Premio Nobel de Física. Pronto, las discusiones sobre el origen del universo y especialmente la teoría del Big Bang, la idea de que el universo comenzó con una explosión y que toda la materia se ha estado moviendo hacia afuera desde entonces, zumbó en los pasillos de la academia y entre el público en general. Entonces, cuando un cosmólogo vino a hablar en Cornell, Guth ‘69, SM ‘69, PhD ‘72, fue a escuchar lo que tenía que decir. El conferenciante, Robert Dicke, habló, entre otras cosas, de un complejo problema cosmológico que los científicos no habían podido resolver. Ciertamente despertó mi interés, dice Guth. La conferencia de Dicke pareció apuntar a la conclusión de que la teoría tradicional del Big Bang estaba omitiendo algo importante. Dos años más tarde, en el curso de su investigación en un área completamente diferente, Guth encontró la pieza que faltaba.

Presentó su explicación en 1981, llamándola inflación. Desde entonces, la teoría ha atraído mucha atención. En los años transcurridos desde su aparición, el artículo original de Guth ha sido citado en más de 2.000 publicaciones, y el otoño pasado su autor recibió la prestigiosa Medalla Dirac, que muchos observadores consideran un precursor de un Premio Nobel. Hoy en día, los cosmólogos están llamando a la idea de Guth un nuevo paradigma, una de las pocas teorías del universo sumamente influyentes del último medio siglo.

El camino al descubrimiento

La oficina de Guth es una selva tropical de papeles sueltos. Aunque es espacioso para las excavaciones de un profesor (dos o tres veces el tamaño de la mayoría de las oficinas de la universidad), casi cada centímetro del piso, los muebles y el alféizar de las ventanas están llenos de libros, trozos de papel, carpetas de manila y publicaciones periódicas. Guth, cuyo pelo desgreñado se desliza con frecuencia sobre los bordes de sus gafas, reúne ideas de estas diversas fuentes, juntando las piezas que despiertan su interés y despiertan su imaginación. A medida que desarrolla sus teorías, también se basa en lo que sabe. Guth se formó su primer indicio de la teoría de la inflación de esta manera: recopiló una serie de problemas teóricos y llegó a ver conexiones entre ellos.

La teoría de Guth surgió por casualidad cuando comenzó a tejer investigaciones previamente desconectadas con su propio trabajo. Todo comenzó con la conferencia en la que Dicke describió el complejo rompecabezas cosmológico relacionado con la cantidad y distribución de materia en el universo. Los cosmólogos no saben exactamente cuánta materia hay en el universo. Cuando hablan de la cantidad que existe, la comparan con una densidad crítica. Esta densidad corresponde a la cantidad de materia necesaria para que un universo se vuelva plano.

En el momento de la conferencia de Dicke, las observaciones científicas mostraban que el universo estaba dentro del 10 por ciento de la densidad crítica, pero hoy los cosmólogos pueden demostrar que el universo está en realidad dentro del cinco por ciento de ella. Para que el universo de hoy esté dentro del cinco por ciento de la densidad crítica, el universo debería haber estado extremadamente cerca de la crítica un segundo después del Big Bang. Pero en el contexto de la teoría del Big Bang, no se conoce ninguna razón por la que el universo habría comenzado cerca de la densidad crítica, dice Guth. Este acertijo se había denominado el problema de la planitud.

Guth describe otra forma de pensarlo: la densidad del universo se parece mucho a un lápiz en equilibrio sobre su punta. Cuando está perfectamente equilibrado, está en densidad crítica. Si ninguna fuerza lo perturba, permanece equilibrado. Pero si se empuja en cualquier dirección, se alejará de su punto de equilibrio. En cierto sentido, el universo está cerca de ese punto de equilibrio hoy. Pero los científicos no sabían ninguna razón por la que el lápiz hubiera comenzado hacia arriba. Dieron por sentado el hecho de que la gravedad siempre atrae, lo que significa que el lápiz se inclinaría naturalmente. Guth descubriría más tarde que existen circunstancias plausibles en las que la gravedad se repele.

El problema de la planitud hizo que Guth pensara en el universo primitivo, pero fue su trabajo sobre monopolos magnéticos, un campo aparentemente no relacionado que luego combinó con la cosmología, lo que lo llevó a lo que se convertiría en su teoría de la inflación. Los monopolos son un tipo teórico de partícula elemental magnética con una sola carga. Henry Tye, un compañero de posdoctorado en Cornell, se había interesado en las teorías que predecían la existencia de monopolos magnéticos, y se acercó a Guth para tratar de determinar cuántos se habrían creado en el Big Bang, cuando se pensaba que todas las partículas habían sido creadas. . Al principio, dice Guth, pensé que era una forma loca de perder el tiempo. Pero aún con la esperanza de hacerse un nombre en la física, aceptó ayudar.

La pareja finalmente dedujo que el universo debería nadar en monopolos, pero no es así. También calcularon el peso de los monopolos y descubrieron que debían ser muy pesados. Estos hallazgos fueron el tipo de contribución que Guth había estado buscando, pero antes de que él y Tye pudieran publicar sus resultados, otro joven investigador se les adelantó.

Entonces comenzaron a buscar otra innovación. Comenzaron a preguntarse cómo podían modificar las teorías que predecían los monopolos magnéticos para explicar la ausencia total de los monopolos. Razonaron que el sobreenfriamiento (bajar la temperatura por debajo del punto de congelación sin inducir la congelación) en el universo temprano habría impedido la producción de monopolos. Esta vez, publicaron sus hallazgos de inmediato.

A continuación, Tye sugirió que calcularan el efecto que el sobreenfriamiento podría haber tenido sobre la tasa de expansión del universo. Fui a casa una noche e hice ese cálculo, recuerda Guth. De hecho, el sobreenfriamiento afecta enormemente la tasa de expansión del universo, dice, enviando al universo a esta expansión exponencial, que es lo que ahora llamamos inflación. En este caso, teorizó Guth, la gravedad funciona a la inversa.

Guth postuló que el universo entero comenzó siendo cien mil millones de veces más pequeño que un protón. El universo estaba regido por las leyes de la interacción de partículas, que los científicos aún no comprenden del todo. La fuerza gravitacional repulsiva de la inflación agrandó el universo del tamaño de una mota en solo una pequeña fracción de una fracción de segundo, haciendo que el crecimiento pareciera una explosión. Y luego la inflación se fusionó con la teoría del Big Bang.

Habiendo postulado un hecho tan trascendental, dice Guth, esa misma noche, me di cuenta de que esta expansión exponencial resolvería el problema de la planitud. Y eso, por supuesto, me emocionó tremendamente.

Haciendo olas

¿Cómo resuelve la inflación el problema de la planitud? La idea de Guth era que el lápiz metafórico no tenía que empezar en su punta; en cambio, podría haber comenzado en una posición inclinada. Su teoría sugiere que la gravedad se invirtió en la creación del universo, por lo que el lápiz metafórico se levantaría desde una posición horizontal hasta que se detuviera en su punta. En otras palabras, no es necesario suponer que el universo primitivo comenzó con una densidad crítica. De hecho, podría haber comenzado lejos de eso porque la gravedad inversa haría que el universo se moviera. hacia densidad crítica.

La inflación resolvió otro problema. El Big Bang debería haber producido un universo con temperaturas de radiación que van de calientes a frías. Pero los científicos habían descubierto que a gran escala las temperaturas son homogéneas en todo el universo. Les fue difícil explicar esta homogeneidad, dado que no ha habido suficiente tiempo para que la radiación se nivele en todo el universo. La inflación explica este llamado problema de horizonte porque la homogeneidad a gran escala se habría establecido cuando el universo era aún más pequeño que un protón, y simplemente se ha estirado hasta lo que vemos hoy.

Imagen de John MacNeill.

Las soluciones de Guth iniciaron una revolución en la cosmología, pero su entusiasmo inicial pronto fue seguido por ansiedad. Era un joven investigador sin nombramiento de profesor y no estaba seguro de su teoría. Estaba muy nervioso por eso porque sentía que había demasiadas cosas al respecto que realmente no entendía. Tenía miedo de que fuera a explotar de alguna manera. A pesar de sus preocupaciones, a principios de 1980 Guth explicó la inflación en una serie de conferencias para cosmólogos de todo el país.

Alan demostró un coraje inusual, especialmente para alguien sin titularidad o incluso un puesto de facultad, al impulsar la inflación, dice Michael Turner, astrofísico de la Universidad de Chicago.

Quienes lo escucharon estaban intrigados y pronto surgieron ofertas para puestos de profesores, aunque no del MIT. Sin embargo, Guth quería regresar a su alma mater, por lo que cuando una galleta de la fortuna le dijo que le esperaba una oportunidad emocionante si no es demasiado tímido, llamó al MIT y se ofreció como prospecto. Más tarde, ese mismo año, llegó al Instituto como profesor asociado invitado. Hoy, como profesor de física Victor F. Weisskopf, trabaja al final del pasillo de su hijo Larry, un estudiante graduado en matemáticas. Larry trabaja en la oficina que ocupaba su padre cuando era estudiante de posgrado, una coincidencia que a Guth le parece enormemente adorable.

Algunas de las preocupaciones de Guth acerca de la validez de su teoría no eran infundadas. Con la ayuda de Erick Weinberg de la Universidad de Columbia, Guth descubrió que su idea era un poco errónea. Su explicación de la forma en que la inflación condujo al Big Bang no funcionó. Pero como Guth creía en la importancia de la inflación, escribió un artículo que describía tanto su teoría como sus problemas.

Escribió un artículo en el que decía: 'Creo que es una idea muy importante, pero puedo demostrar que no funciona en la forma que propongo', dice Turner. Invitó a otros científicos a pensar en la inflación y mejorarla. Otros tres cosmólogos respondieron a su desafío. El científico ruso Andrei Linde e, independientemente, los investigadores estadounidenses Paul Steinhardt (Universidad de Princeton) y Andreas Albrecht (Universidad de California, Davis) propusieron una modificación que evitó la falla. Lo llamaron nueva inflación. Guth comparte la medalla Dirac 2002 con Linde y Steinhardt.

La inflación es una idea muy emocionante que ha unido a físicos de una variedad de subdisciplinas y que ha motivado algunos de los experimentos más emocionantes de la ciencia actual, dice Steinhardt. Linde, ahora en la Universidad de Stanford, dice que la idea de Guth ayudó a cambiar la cosmología moderna. De hecho, ha inspirado alrededor de 30 teorías de variaciones que utilizan la inflación como base.

Poco después de que se introdujera una nueva inflación, Guth y otros seis físicos comenzaron a estudiar el origen de las fluctuaciones de densidad en el nuevo modelo. Ellos predijeron un patrón de cómo aparecerían estas fluctuaciones en la temperatura de radiación del universo. Hoy en día, los satélites y los experimentos basados ​​en globos muestran que el patrón que predijeron es notablemente preciso. Turner, que estudia esta radiación, dice que confía en que durante la próxima década, estas mediciones proporcionarán una prueba definitiva de la inflación.

Guth, que es miembro de la Academia Nacional de Ciencias, minimiza su papel de influir en la dirección de tanta investigación nueva. La inflación se habría inventado yo la hubiera inventado o no, dice. Realmente fue más o menos un ensamblaje de ideas que ya eran conocidas por un físico u otro. Hubo muchas oportunidades involucradas en que se me ocurriera la idea.

Pero para Turner y muchos otros que reflexionan sobre el cosmos, está claro que las contribuciones de Guth han proporcionado una clave para muchos avances recientes, tanto experimentales como teóricos. La idea de inflación de Alan ha revolucionado la forma en que los cosmólogos piensan sobre el comienzo del universo, dice Turner. En mi opinión, es la idea más importante desde el propio Big Bang.

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