Inflación: Una grieta cosmológica

T.E.L: 12 min.

¿La inflación cósmica es ciencia empírica o mera superchería con aires de ciencia?

En Argentina se ha puesto de moda la palabra "grieta" para referir a las fuertes discrepancias entre las alianzas de partidos políticos dominantes. El término se ha usado para dar cuenta de diferencias políticas en otros países como la Venezuela de Chávez-Maduro o el Estados Unidos de Trump. También se usó en el Brexit y ahora en relación a la independencia catalana. Más allá de la política, el concepto binario se puede usar para toda situación en la que hay dos fuertes puntos de vista contrapuestos. La cosmología tiene su propia grieta, inflada.

Antes de dar cuenta de una discusión reciente, vale la pena hacer un repaso histórico:
Hacia 1920 no se tenía certeza científica sobre la existencia de otras galaxias. Sin embargo, se habían observado objetos difusos, a los que se denominó "nebulosas" y que algunos consideraban que estaban muy lejos como para formar parte de la única galaxia conocida -la Vía Láctea- y, por ende, debían ser consideradas "universos-islas", para usar el concepto de Kant, es decir, otras galaxias. En la orilla opuesta, otros sugerían que tales nebulosas no estaban tan lejos y que eran parte de la única galaxia.
Una serie de hechos posibilitó que Edwin Hubble y su ayudante Humason pudieran definir la cuestión: eran galaxias, muy lejanas. Pero las observaciones indicaban algunas cosas más: había tres formas de galaxias (el conocido "tenedor de Hubble") y, lo más llamativo: excepto algunas, todas las galaxias se alejaban de nosotros y las que estaban más lejos lo hacían a mayor velocidad.
No tiene sentido aquí ahondar en si la interpretación de la expansión del universo debe ser reconocida a Hubble o al sacerdote Lemaitre, pero fue la teoría que dominó, más allá de otras teorías como la "luz cansada".

Si el universo se expande y lo conocido hasta ahora es cierto, pensaron los astrónomos de la década de 1930, entonces:
La energía no se crea ni destruye, por tanto en el pasado y en el futuro la cantidad de energía se mantiene.
Si el universo se expande, entonces su volumen fue menor en el pasado.
Si el volumen fue menor y la cantidad de energía se conserva, entonces, en el pasado, el universo era más denso, y por tanto, más caliente.
Ergo, el universo pasado debe ser muy distinto del universo presente.

Sin embargo, no fueron estas ideas las que tuvieron mayor apego en la incipiente cosmología moderna, sino que durante un par de décadas se sostuvo la Teoría del Estado Estacionario, que era grosso modo así:
El universo se expande y su volumen cambió.
La energía sí se puede crear, pero a escala tan pequeña que no se descubrió hasta ahora.
Si la energía que se crea es proporcional a la expansión, entonces la densidad se mantiene.
Y si la densidad se mantiene y con esto la temperatura, el universo pasado no debe ser muy distinto del actual.

En el medio de la discusión apareció la idea de nucleogénesis, pero para el caso, lo pasaré por alto.

A mediados de la década de 1960 se descubrió la Radiación de fondo de microondas (CMB por su sigla en inglés) que lo baña todo y que resulta compatible con la idea de un universo primitivo muy caliente y denso.

La Teoría del Big Bang parecía reír último. Pero pronto halló su límite: si el universo pasado y presente son tan diferentes, según la teoría, ¿por qué lo que se observa es tan parecido? Fue el problema de la homogeneidad.

A inicios de 1980 el físico Alan Guth elaboró la hipótesis de la inflación. Un proceso ad hoc por el cual se aceleró la expansión original, separando zonas del universo, haciéndolo más plano y homogéneo dentro del radio observable.

Si se tira un poco de la piola (como haremos luego) veremos que esta idea va de la mano con otra: el multiverso.

La inflación cósmica parecía resolver varios problemas de un tirón, aunque era un hipótesis surgida justamente para eso, sin tener idea de cómo se habría producido.

Desde entonces hasta ahora, y a pesar de mucha agua pasada bajo el puente, persiste una pregunta profunda: ¿la hipótesis de inflación se puede corroborar o es necesario creer ciegamente en esta suposición? Si no se puede corroborar, entonces ¿es ciencia?

Este es a grandes rasgos el contexto histórico de una brecha o discrepancia que perdura, como se evidenció este año con un famoso debate escrito entre conjuntos de físicos a través de publicaciones.

LA GRIETA COSMOLÓGICA 2017
En febrero de este año, se publicó en la revista Scientific American (SciAm) un artículo titulado "POP goes the universe" ilustrada con un globo dentro del cual hay una nebulosa y una mano con una aguja tratando de explotar el globo. Digamos que si un globo explota suena parecido a la onomatopeya "Pop" y que hay una famosa canción de los ochenta llamada "Pop goes the world" de la banda Men without hats que algunos de nosotros hemos bailado antes de tener canas.

El artículo tiene tres autores (Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt y Abraham Loeb, desde ahora IS&L) renombrados aunque el segundo es MUY prestigioso y resulta pertinente señalar que fue uno de los cosmólogos que contribuyó al desarrollo de la hipótesis de inflación cósmica.
El artículo, para no andar con rodeos, postula que la inflación cósmica no se puede probar ni refutar empíricamente y que por tanto, no es ciencia.
Aunque el texto no es muy técnico, lo voy a simplificar aún más enfocándome en dos aspectos usados por los autores para tratar de mostrar en forma lógica por qué la inflación cósmica no sólo no es necesaria, sino que es improbable y contraproducente, según su punto de vista:

1-Hay al menos dos modelos de inflación cósmica que ilustran con una doble pista de nieve. Una pista con una pendiente muy regular, más fácil de bajar, con una mayor pendiente, que según los autores es un modelo descartado por los datos del Satélite Planck. Y una pista menos regular, más difícil de bajar, no descartada por los datos de Planck, pero mucho menos probable. La pista en azul sería el modelo tradicional, más factible porque tendría menos parámetros finos para lograrse, mientras que la pista rosa es el modelo meseta, con menos pendiente y que requiere parámetros más finos, condiciones más especiales para iniciarse.

2-El modelo inflacionario supone un campo, el inflatón. La fluctuaciones en el espacio-tiempo harían que este campo sea más fuerte o más débil en diferentes zonas, por lo que algunas regiones tendrían un período más largo o menos largo de inflación. Si algunas de estas fluctuaciones no fuesen tan pequeñas, las consecuencias serían drásticas: un salto más fuerte haría que una región alargara su período de inflación mientras otras no. Una pequeña porción de volumen de espacio crecería exponencialmente rodeando y deglutiendo aquellas zonas en las que la inflación se detuvo. Las zonas tragadas finalmente se detendrían, pero nuevamente, algunas regiones con fluctuaciones mayores harían que el proceso continúe...ad infinitum. Y por tanto, esto generaría zonas suficientemente aisladas unas de otras que cada una podría considerarse un universo y el conjunto de todos sería el multiverso. Cada región tendría características distintas, por lo que la idea de inflación que tenía por objeto explicar por qué nuestro (supuestamente único) universo es como es, ya no tendría sentido.
Seamos claros en esto: si fuera así, el modelo inflacionario "explicaría" nuestro universo particular, así como cualquier otro con otras características, sea cuales sean. En este sentido, el modelo que explica todo, no explica nada y no predice, ya que cualquier otro universo que pudiera detectarse y que tuviera características distintas al nuestro sería también "prueba" del modelo inflacionario. Es, por tanto, incontrastable, según los autores de esa publicación.

IS&L proponen un cambio de paradigma: del big BANG al big BOUNCE: Bounce significa "rebote", por lo que podría existir una fase previa como una larga transición de pequeña contracción. Existen diferentes modelos de rebotes y, según entiendo, no lo mencionan porque sean favorables a alguno en particular, sino como índice de que es posible pensar modelos alternativos.

LA RESPUESTA DE 33
La respuesta al artículo no se hizo esperar y fue respondida por un grupo de 33 astrofísicos reputados. En realidad, la respuesta fue escrita por los primeros 4 y firmada además por otros 29. No me voy a detener mucho en la cuestión del número y prestigio porque lo único que debería importar son los argumentos. Sin embargo, puede parecer algo "patoteril" que firmen muchos un artículo escrito por otros y que tales otros sean quienes son: Sean Carroll, Hawking, Krauss, Juan Maldacena, Lisa Randall, Martin Rees, Smoot, Susskind, Vilenkin, Weinberg, Wilczek, Witten, Matias Zaldarriaga, y otros. Es decir, toda la caballería.
Pero, al mismo tiempo, si la carta hubiera sido firmada sólo por Alan Guth y Andrei Linde podríamos tener dudas sobre cuál es la postura de los demás, particularmente de los más prestigiosos, por lo cual, los "33" muestran que no son el "under", sino el "mainstream", es decir, no son la contracultura, sino la corriente principal.

Y los autores intentan demostrar eso mismo con el primer pasaje de su respuesta: hay 14.000 papers escritos por 9.000 científicos sobre modelos inflacionarios, por lo que, dicen, IS&L desconocen el trabajo del resto, que es mayoría. Nótese el uso del Principio de autoridad.

El argumento principal de Guth y otros es que los modelos estándares de inflación predicen que el universo tiene una masa crítica (geométricamente plano, con el parámetro Omega =1) y predicen propiedades estadísticas de las ondas del CMB. Estas ondas deben ser casi "invariantes escalares" lo que significa que tienen la misma intensidad en todas las escalas. Segundo, estas ondas son "adiabáticas", es decir que las perturbaciones son las mismas en todos los componentes: materia ordinaria, radiación, materia oscura fluctúan juntas. Tercero, las ondas son "Gaussianas", en relación a la distribución como "campana de Bell". Y cuarto, predicen patrones de polarización. Y que desde el satélite COBE en 1992 se confirmaron estas predicciones.

LA CONTRARESPUESTA
La contrarespuesta se puede leer, en inglés, debajo del artículo de Guth y otros, aunque en forma más detallada los autores redactaron otra respuesta en una página de Princeton (ver enlaces abajo). Además de volver sobre lo mismo, los tres autores agregan otras reflexiones: el propio Alan Guth escribió un artículo en 2007 en contra de la iteración inflacionaria infinita. Respecto de las predicciones exitosas enumeradas arriba, IS&L señalan que antes de conocerse los resultados más actuales, algunos de los firmantes 33 indicaban en sendos papers que se podría esperar lo contrario de lo que ahora se sabe. Es decir, si se propone un modelo como si fuera una moneda y se indica que tal moneda puede caer cara o ceca y luego cae cara, se acertó y se cae ceca, también, por lo cual tal modelo ambiguo no es predictivo. Si se dice que caerá cara y cae ceca y entonces el modelo se modifica para que la teoría coincida con los datos, tal modelo será una mejor descripción, pero entonces habrá que evaluar nuevamente la predictibilidad: se tira otra moneda y si cae ceca, se confirma, si cae cara, no. Pero si la predicción nuevamente es que caerá cara o ceca, no sirve de nada.

LA PERSPECTIVA DE SEAN CARROLL
Según indicó el cosmólogo en su blog, él no está muy inclinado a pensar que la inflación es parte de la respuesta final. Otros muchos, sin embargo, piensan que finalmente darán con los parámetros correctos, pero para Carroll es difícil pensar siquiera el mecanismo de origen de la inflación, en particular por la baja entropía que requiere.
Como es sabido, Sean Carroll es partidario del multiverso como lo ha dicho varias veces y en su blog ha contado de algunos intentos de probar la posible existencia de otros universos. Pero incluso si no fuera así, considera que los modelos inflacionarios son científicos en base a lo que sí pueden probar.

MI OPINIÓN
En primer lugar, son estos debates los que caracterizan a la ciencia frente a otras prácticas "dogmáticas". Cuando la ciencia se base en dogmas, dejará de ser tal. Es por eso que resulta un tanto chocante que se use el principio de autoridad. La historia prueba que las mayorías pueden equivocarse. Pero es entendible que Guth y otros se sientan insultados por IS&L al tildarlos implícitamente de "seudocientíficos".
Por otra parte, si un modelo no termina de funcionar, no es esperable tirarlo por la borda, sino corregirlo. Lógicamente, en algún punto, si las sucesivas correcciones siguen sin dar cuenta de la realidad suficientemente, entonces habrá que buscar alternativas.
En tercer lugar, al igual que Guth y Carroll entiendo que la idea de inflación iterada y multiverso, que generan infinitas posibilidades, no impide contrastar el modelo inflacionario para el caso de nuestro propio universo.

Los modelos de inflación que pueden generar múltiples universos podrían no generar zonas muy distintas, sino muy parecidas en tanto las condiciones iniciales de todas sean similares.
Pero incluso si no fuera así y cada universo fuera distinto, pensemos un ejemplo grotesco como que en tales universos las personas nazcan con siete brazos o cinco cabezas, eso no cambia la utilidad que tiene hoy nuestro modelo de personas, ya que para las condiciones dadas en este pedazo de espacio, los niños nacen, en general, con ciertas características y no con otras y tal modelo es predictible. Servirá para nuestra región y no para otra, pero es testeable.
Mucho se ha escrito sobre lo que los cosmólogos llaman "sintonía fina" de nuestro universo, en relación a ciertas constantes que si fueran ligeramente distintas, no se habrían formado átomos o galaxias y por tanto no estaríamos aquí.
En el caso de existir otros universos, tal sintonía fina (que algunos interpretan como "diseño inteligente") no sería más que una casualidad entre tantas y en términos de predicciones para el multiverso, todo sería posible estadísticamente, pero no para nuestro universo particular en el que sólo algunas cosas son posibles y no todas.
Sabemos ya a ciencia cierta que el universo tuvo un inicio. Tal inicio no necesariamente surgió "de la nada", sino que probablemente, como ocurre con todo lo conocido, haya tenido antecedente. Los seres humanos nacemos, es decir, tenemos inicio, pero no de la nada.
A lo que le llamamos inicio lo podríamos concebir como un salto de calidad o un cambio significativo. Que nuestro universo tuvo un inicio, en este sentido es indudable porque si el universo no tuviera límites, habría una cantidad infinita de estrellas y, por tanto, la noche no sería oscura (paradoja de Olbers).
Eso no quita, sin embargo, que antes de tal inicio haya habido otra fase, algo anterior. El parto es un inicio, pero también un final de algo anterior, el final de la gestación.

Dar con los parámetros adecuados de las condiciones iniciales de tal universo no sólo sería útil para hacer predicciones a futuro, sino también sobre el pasado muy lejano, como ocurre también en climatología.

Empero, describir y predecir no es suficiente. Tenemos que entender el proceso. Hasta ahora el modelo inflacionario descansa en un proceso "mágico" y, en este sentido, está atado con alambre. Pero es algo común en ciencias. Todas las teorías, desde el origen de las especies hasta la construcción de pirámides, tienen sus problemas. En este punto, discutir sobre mejores métodos de investigación, formas más fiables de separar lo aparente de lo real, son bienvenidas en el debate franco y argumentado.

Mientras tanto, la teoría inflacionaria no se abandonará, a menos que alguien elabore un modelo mejor, con problemas menores.

Ojalá que personas como IS&L desarrollen modelos alternativos y obtengan fondos para investigarlos y experimentar. Si su idea es mejor, va a prevalecer. En ese punto, no debería haber grieta porque en ciencias son tan importantes los resultados como los métodos. Pero creo que habría que dejar los egos de lado en estas discusiones y evitar las chicanas porque en vez de enriquecer el debate sólo logra inflar, aceleradamente, los orgullos.

Fuentes y enlaces relacionados