La palabra «multiverso» tiene varios significados en Física Teórica. Mucha gente confunde estos términos, por ello, debo empezar aclarando que en esta entrada el término multiverso significa «multiverso inflacionario» en el contexto de la inflación cósmica eterna. La teoría inflacionaria son un conjunto de propuestas dentro del marco de la física teórica que pretenden explicar la expansión a niveles extremadamente rápidos que tuvo lugar en los primeros instantes de la formación del universo. La inflación es un proceso que, actualmente, estaría considerada como parte integrada en el modelo cosmológico estándar del Big Bang, y la partícula elemental hipotética que sería la responsable de la inflación es denominada inflatón.
Orígenes y Principios Fundamentales de la Inflación Cósmica
La teoría inflacionaria fue propuesta por primera vez por el cosmólogo americano Alan Guth en el año 1981. Así mismo, Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt realizaron modificaciones a la propuesta inicial de Guth para darle su forma más moderna. Estos modelos, basados en la existencia de un campo escalar (como el campo de Higgs) llamado inflatón, fueron introducidos por Guth (que inventó el término inflación cósmica), Linde y otros. La inflación plantea un período de expansión exponencial del Universo durante sus primeros instantes de existencia. Es importante tener en cuenta que la expansión sería exponencial porque la distancia entre dos observadores fijos se incrementaría de forma exponencial debido a la métrica de la expansión del Universo. Es decir, las condiciones físicas desde un momento al siguiente serían constantes, lo que conllevaría altos niveles de simetría.
Resolución de Problemas Cosmológicos Clave
Hoy en día ningún físico pone en duda que haya existido la inflación cósmica, pues no tenemos ninguna otra solución razonable que explique por qué el universo observable es plano, homogéneo e isótropo. La teoría inflacionaria trata de resolver el denominado problema del horizonte, que consiste en comprender por qué, actualmente, la distribución de la materia y la radiación en el Universo es prácticamente homogénea en todas sus regiones. Las observaciones más recientes han demostrado que la distribución tanto de materia como de radiación en el espacio es prácticamente constante y homogénea en todo el Universo.
La teoría inflacionaria resolvería varios problemas que plantearía la teoría de la Gran Explosión o Big Bang tal y como la entendemos a día de hoy. La inflación resolvería el problema de las condiciones especiales necesarias en el inicio del Universo, y que serían imprescindibles para poder explicar la forma actual del Universo que podemos observar hoy en día. Por otro lado, la teoría inflacionaria serviría como solución al problema que plantearían los monopolos magnéticos primigenios. De este modo, la teoría inflacionaria cobra todavía más fuerza a la hora de explicar la expansión del Universo durante los primeros instantes, ya que al no existir constancia de la presencia de estos monopolos magnéticos, parece complicado entender el Universo sin introducir la teoría inflacionaria en su explicación.
Evidencia Observacional
Además, las predicciones del efecto de la inflación sobre las anisotropías del fondo cósmico de microondas (p.ej. su gaussianidad) han sido corroboradas por múltiples experimentos (COBE, WMAP, Planck, ACT, SPT, etc.). Todos los datos cosmológicos actuales (obtenidos por Planck y otros experimentos) apuntan a que estos modelos sencillos son los correctos, descartando la necesidad de modelos más elaborados. Un punto de inflexión importante en la historia de la teoría inflacionaria lo encontramos el 17 de marzo de 2014. Aquel día, los astrofísicos del BICEP2 anunciaron la presunta detección de lo que serían ondas gravitacionales inflacionarias, lo que podría ser considerado, sino una prueba al menos un indicio fiable, de que la teoría de la inflación de Guth sería correcta y encajaría con el modelo estándar del Big Bang.
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La Inflación Eterna y el Concepto de Multiverso Inflacionario
Una predicción genérica de los modelos sencillos de la inflación cósmica es que la inflación es eterna. El falso vacío en el «universo preinflacionario» se expande de forma exponencial produciendo infinidad de «universos burbuja» causalmente desconectados entre sí; muchos físicos prefieren llamarlos dominios inflacionarios. El universo observable desde la Tierra es una de estas «burbujas» o dominios. La inflación cósmica, además, es eterna. El multiverso inflacionario es como un «universo» fractal multicolor que crece eternamente. La inflación es un proceso realimentado, que produce «universos burbuja» y falso vacío que continúa de forma eterna produciendo nuevos «universos burbujas» y falso vacío, ad infinitum.
Imagina un balón de fútbol formado por polígonos (pentágonos y hexágonos) multicolores. Durante la inflación, el tamaño de cada polígono crece de forma exponencial. El proceso es tan rápido que no hay relación causal entre los polígonos. Quien vive en un hexágono azul creerá que todo el universo es azul. Y lo mismo pensarán lo que están en un polígono de otro color. Los demás polígonos están más lejos de lo que una señal luminosa ha podido viajar desde el comienzo del universo. El color diferente en cada polígono significa que los parámetros de las leyes físicas serán diferentes entre sí. Andrei Linde y otros cosmólogos demostraron hace unos 30 años que el balón de fútbol acaba teniendo muchos colores incluso si empieza siendo de un solo color antes de la inflación. Las fluctuaciones cuánticas provocan transiciones de fase en diferentes puntos del falso vacío, provocando la aparición de regiones (causalmente desconectadas) de diferente color.
Sin embargo, la idea del balón de fútbol olvida un detalle importante, que la estructura del universo es fractal (la llamada inflación caótica). Una estructura fractal en la distribución de polígonos del balón de fútbol es difícil de dibujar. En esta representación en forma de «erizo coloreado» del multiverso, las púas de color crecen exponencialmente y en la punta de cada una se alcanza una densidad similar a la de Planck, que se interpreta como un big bang en dicho «universo burbuja».
Debates y Críticas a la Inflación Eterna
A muchos físicos les desagrada pensar que eternamente se están produciendo «universos burbuja» a partir del falso vacío primordial y que en la práctica se producen un número infinito de estos «dominios inflacionarios». No hay ningún tipo de interacción posible entre estos universos burbuja, luego su existencia es imposible de demostrar de forma directa. Un multiverso eterno, sin principio ni fin, con muchos «universos burbuja» (dominios inflacionarios) que tienen un principio y un fin, y otros que sólo tienen principio, parece un regalo para los filósofos y un gran problema para los físicos.
A pesar de toda esta situación en torno a la teoría inflacionaria, todavía a día de hoy no podemos hablar de consenso uniforme de la comunidad científica cuando se trata de afirmar por completo los postulados defendidos por la teoría inflacionaria. Los científicos que estudian el Universo no se han puesto de acuerdo en una serie de pequeños aspectos que todavía quedan por resolver y, aunque es verdad que la teoría inflacionaria se acepta como parte del modelo estándar dentro de la comunidad científica, todavía quedan muchos aspectos por refinar para que su planteamiento no presente ninguna duda.
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El debate en este asunto ha llevado al desarrollo durante los últimos 30 años de muchos modelos inflacionarios alternativos. Estos modelos son más complicados y presentan diferentes mecanismos que evitan la inflación eterna y/o la caótica. Una de las cuestiones que se ha llegado a plantear es si los problemas que están llamados a ser resueltos por la teoría inflacionaria no son en realidad pseudoproblemas. De hecho, algunos científicos como Roger Penrose, han llegado a plantear que la termalización inicial del Universo que implicaría la aceptación de la teoría inflacionaria conllevaría una serie de condiciones todavía más específicas que las que habría que aceptar en el caso de un Universo que no hubiera estado sometido a la inflación exponencial primigenia. Penrose ha considerado otras configuraciones posibles de los campos de inflatón y gravitacional, y algunas de estas configuraciones podrían conducir a un Universo uniforme y plano sin necesidad de inflación.
El problema con la explicación habitual de la inflación eterna es que asume un universo de fondo existente que evoluciona de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein y trata los efectos cuánticos como pequeñas fluctuaciones en torno a esto. Sin embargo, la dinámica de la inflación eterna borra la separación entre la física clásica y cuántica. Por lo que ambos investigadores, predijeron que el universo, en las escalas más grandes, es razonablemente liso y globalmente finito.
En cualquier caso, la teoría inflacionaria se presenta como una parte del modelo estándar ampliamente aceptada dentro de la comunidad científica. Al menos, hasta que nuevos estudios y nuevos datos puedan presentar un paradigma distinto y capaz de explicar mejor el origen y la evolución del Universo, desde el Big Bang hasta nuestros días.
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