No dejamos de imaginar el Universo

Alan Harvey Guth

Está claro que el título de este trabajo está dirigido al hecho de que, cuando no sabemos el por qué de alguna cosa, nuestra imaginación le busca la respuesta que, unas veces será la adecuada y otras tantas  no. Con el tiempo, esa verdad que buscamos se descubre y entonces, aquella primera “verdad” queda relegada para siempre.

Pero donde hay un enigna existe también la perspectiva de un descubrimiento: una paradoja puede revelar un modo inadecuado de abordar un  problema. creo que fue eso lo que quiso decir Bohr cuando exclamó: “Es magnifico que hayamos dado con una paradoja. Ahora tenemos alguna esperanza de hacer algún progreso.” Y fue con este espíritu como se resolvió el enigma sobre el caracter plano del universo, mediante la invención de una nueva hipótesis cosmológica, la del universo inflacionario.

La hipótesis de la inflación fue propuesta por primera vez por un joven físico norteamercano llamado Alan Guth. Se enteró del problema del universo plano una tarde de novimebre de 1978 en Cornell, por una charla de Robert Dicke (personaje que os puse aquí hace unos días), un competente relativista de Princeton cuyas ideas sobre la radiación cósmica de fondo recordaban las de Gamow.

Con preparación de físico, Guth por aquel entonces sabía poco de cosmología y, siendo joven rechazaba el conservadurismo sobre las ideas reinantes en relación a la evolución primitiva del universo. Las consideraba demasiado especulativas. La observación de Dicke sobre la rareza de que Omega (Ω) fuese igual a 1 le  pareció ”  sorprendente, pero en aquel momento no sabía que hacer con ella.

Pero por aquellos tiempos, la comunidad de la Física estaba empezando un gran idilio con la de la Cosmología, y Guth pronto se encontró trabajando en la cuestión de cómo pueden haberse formado los monopolos magnéticos en el universo primitivo. Guth halló dascinante los monopolos. Concebidos por la austera imaginación de Dirac en 1931, se suponía que eran partículas masivas con una carga magnética unipolar.

En los años treinta del pasado siglo Paul Dirac realizó unos cálculos teóricos que indicaban que si existieran los monopolos magnéticos, entonces se podría cuantizar fácilmente la carga del electrón. Bastaría que existiera un sólo monopolo magnético en el Universo para que los electrones tuvieran la carga que tienen y no otra.

La imagen de arriba vino acompañada de la noticia siguiente: “Afirman haber podido detectar por primera vez monopolos magnéticos como un estado de la materia que se daría a partir de una disposición especial de los momentos magnéticos dentro de un cristal a baja temperatura.”

En  Francis (th)E mule Science’s News  he podido obtener esta imagen de arriba que nos daba la noticia de que “Monopolos magnéticos nanométricos observados en cristales de hielo de espines”.  Sigue diciendo: “Cuatro artículos, dos publicados en Science y dos preprint en ArXiv, confirman la observación directa de monopolos magnéticos como cuasipartículas en diferentes cristales de hielo de espines. Estos monopolos magnéticos fueron observados de forma indirecta en 2007 por Castelnovo et al. (publicado en Nature). Morris et al. y Fennell et al. los han logrado observar de forma directa, publicando sendos artículos que aparecerán en Science. Morris et al. han observado directamente mediante neutrones cadenas de monopolos, como cuentas de un collar, que se denominan cuerdas de Dirac (Dirac strings).”

Las grandes teorías unificadas conjeturaban que se habían creado en nudos de espacio-tiempo, por la misma ruptura de la simetría que escindió las fuerzas nucleares electrodébiles y fuertes. Anacrónicamente, cada monopolo contendría atrapados bosones W y Z, así como también una diminuta región en su centro donde aún funcionaba la fuerza electronuclear unificada.

En realidad, cohabitamos una naturaleza llena de fenómenos enigmáticos. Uno de estos fenómenos es la asimetría insólita que se observaba entre el magnetismo y la electricidad: no hay cargas magnéticas comparables a las cargas eléctricas. Nuestro mundo está lleno de partículas cargadas eléctricamente, como los electrones o los protones, pero nadie ha detectado jamás una carga magnética aislada. El objeto hipotético que la poseería se denomina monopolo magnético.

Montaje experimental. Foto: HZB, D.J.P. Morris y A. Tennant.

El grupo de investigadores dispuso un montaje experimental especial para poder detectar estas cuerdas de Dirac. Hicieron que un chorro de neutrones impactara sobre una muestra a la que aplicaban un campo magnético. En el interior de la muestra se formaban cuerdas de Dirac que dispersaban los neutrones con un patrón específico que delataba su presencia.

La muestra era un cristal de titanato de disprosio. La estructura cristalina de este compuesto tiene una geometría notable, de tal modo que los momentos magnéticos de su interior se organizan en lo que se llama un “espagueti de espines”. El nombre viene de la ordenación de los dipolos, que forman una red de tubos contorsionados (cuerdas) por los que se transporta flujo magnético.

Estos tubos pueden “hacerse visibles” cuando los neutrones interaccionan con ellos; pues los neutrones, aunque no tienen carga eléctrica, sí tienen momento magnético. El patrón de dispersión de los neutrones obtenido es una representación recíproca de las cuerdas de Dirac contenidas en la muestra. Con el campo magnético aplicado los investigadores podían controlar la simetría y orientación de las cuerdas. A temperaturas de entre 0,6 a 2 grados Kelvin los investigadores pudieron ver pruebas de la existencia de monopolos magnéticos (la temperatura suele ser la peor enemiga del magnetismo, pues tiene a desordenarlo todo) en forma de este tipo de cuerdas según se acaba de describir.

Además pudieron ver la firma que en la capacidad calorífica dejada el gas de monopolos, viendo que estas cuerdas interaccionan de manera similar a como lo hacen las cargas eléctricas, lo que era de prever para el caso de monopolos magnéticos. En este resultado los monopolos no son partículas, sino que emergen como un estado de la materia, en concreto a partir de un arreglo especial de los dipolos que forman parte del material.

Para hacernos una idea de cómo sería un monopolo magnético si existiera, imaginemos una barra imantada que, como sabemos, posee en cada extremos un «un polo magnético» por el cual se atraen o se repelen. Estos polos son de dos tipos, llamados «norte» y «sur», y se comportan como las cargas eléctricas, positiva y negativa. Esa configuración del campo es un ejemplo de «campo bipolar», y sus líneas de campo no paran: giran y giran interminablemente. Si partimos por la mitad la barra imantada, no tenemos dos polos, el norte y el sur, separados, sino dos imanes. Un polo norte o sur aislado (un objeto con líneas de campo magnético que sólo salgan o que sólo entren) sería un monopolo magnético. De hecho, es imposible aislar una de estas cargas magnéticas. Nunca se ha detectado monópolos magnéticos, es decir partículas que poseyeran una sola carga magnética aislada. Puede que ello se deba a razones no aclaradas, o bien la naturaleza no creó monopolos magnéticos o creó poquísimos.

En cambio, los monopolos eléctricos (partículas que llevan carga eléctrica) son muy abundantes. Cada chispa de materia contiene un número increíble de electrones y protones que son auténticos monopolos eléctricos. Podríamos imaginar las líneas de fuerza del campo eléctrico surgiendo de una partícula cargada eléctricamente o convergiendo en ella y empezando o acabando allí. Además, la experiencia ha confirmado la ley de conservación de la carga eléctrica: la carga monopólica eléctrica total de un sistema cerrado no puede crearse ni puede destruirse. Pero en el mundo del magnetismo, no existe nada similar a los monopolos eléctricos, aunque un monopolo magnético sea fácilmente concebible.

El problema que atrajo la atención de Guth y de su colega de Cornell Henry Tye era que las grandes teorías unificadas predecían la producción de demasiados monopolos magnéticos, aproximadamente cien veces más monopolos que átomos. Considerando que la mayor parte del universo “es invisible” -la cuestión de la “materia oscura”-, los cosmólogos generalmente reciben con agrado la sugerencia de que partíoculas subatómicas masivas podrían compensar el deficit, pero esto era un exceso de riqueza. La búsqueda de monopolos había dado por aquel tiempo resultados nulos.  Se había registrado un suceso de este tipo el 14 de febrero de 1982, en un aparato construído por Blas Cabrera en un laboratorio del sotáno de Stanford, pero nunca se había vuelto a repetir.

La discrepancia entre la teoría en la que aparecían mucho monopolos magnéticos y la observación, que reveleba muy pocos, podía resolverse, hallaron Guth y Tye, si la textura del espacio-tiempo había sido más lisa de lo esperado en la época de la transición  de la gran fase unificada. Un espacio-tiempo más liso significaba menos nudos espacio-temporales, lo que daba menos monopolos, También significaba un Omega igual a 1.

En la tarde del 6 de diciembre de 1979, Guth escribió las palabras Evolución del Universo en la parte superior de una hoja en blanco que luego llenó de cálculos. Su hipótesis era que inicialmente el universo se habíoa expandido mucho más rápidamente que la tasa lineal que muestra hoy, o sea que, con palabras que usaría luego Guth había sido una “época inflacionaria”, durante la cual el universo se había expandido exponencialmente. En esto se hallaba también la solución al problema del universo plano que había planteado Dicke. Puesto que el universo habría sido mucho grande al final de un período inflacionario de lo que se consideraba en el viejo modelo de expansión lineal, el espacio sería mucho plano.

COMPRENSIÓN ESPECTACULAR, escribió el joven Guth en su cuaderno al día siguiente, dibujando un recuadro alrededor de las palabras. La hipótesis no careciam de precedentes; su recuadro revisado de las transiciones de fase había sido concebido independientemente por Katsuhito Sato en Japón y Martín Einhorn en los Estados Unidos, y el “bombeo” de la tasa de expansión hasta una tasa exponencial por un mecanismo de ruptura de simetría había sido propuesto por Demosthenes Kazanas de la NASA. No funcionó muy bien en su forma original que, tuvo que ser refinada por A. D. Linde de la Universidad de Pensylvania. Pero Guth fue el que dio la idea, y en su forma acabada, aclaraba e iluminaba el estudio del universo primitivo.

Claro que, detras de todo esto que explico de manera sencilla y sin complicaciones, sí que las hay y todo ello, está rodeado de cuestiones complejas como, pongamos por ejemplo que, el agua líquida es más simétrica que el hielo, y el paso del agua al enfriarse, del estado líquido al sólido señala una transición der fase que rompe la simetría. Si el agua líquida se enfría muy rápidamente por debajo de su punto de congelación, no se condensa en hielo inmediatamente, sino que permanece en estado líquido durante un rato. De modo análogo, en el caso del universo inflacionario, el vacío cósmico sigue vacío aún después de estar por debajo de la temperatura a la cual comienza de ordinario la producción de partículas. En realidad, es esta  suspensión la que impulsa la expansión: la energía latente es inmovilizada en lo que se llama un Campo de Higgs de valor cero, impulsando la expansión de modo que el universo vacío se hincha en una perfecta esfericidad platónica.

Potencial de doble pozo en una teoría de campos con ruptura espontánea de simetría.

Después de todo lo explicado, tendríamos que seguir con otras muchas cuestiones como, por ejemplo: Al instante siguiente a la era inflacionaria, en que empieza la era electrodébil, las temperatura superan todavía los 10¹⁵ °K, los gluones débiles y electromagnéticos interactúan simétricamente. Al descender la temperatura por debajo de unos 10¹⁵ °K, se rompe la simetría y se hace patente la diferencia entre estas dos interacciones: los bosones débiles, W y Z, pierden su equilibrio con respecto a las otras partículas de la sopa cuántica, debido a que su masa es excesiva para que puedan ser creados, mientras que los fotones persisten porque carecen de masa y se forman fácilmente. Mientras ocurría este proceso, leptones y antileptones evolucionaron a variantes como electrones y positrones, que son sensibles al electromagnetismo, y neutrinos y antineutrinos que responden a la fuerza subatómica débil.

Con la expansión acompañada de temperaturas inferiores, las colisiones fueron mucho menos energéticas de lo que las que se estima que se dieron durante la era de la inflación cósmica, lo cual dio como resultado cada vez menos y menos masivas partículas. Las colisiones aniquiladoras entre materia y antimateria son las que con facilidad dieron origen a los fotones que son portadores de la fuerza electromagnética, que se descompusieron en parejas electrón–positrón prácticamente sin masa.

En aquellos momentos prevalecía la inestabilidad cuántica de la situación, y llegó el momento en el que la expansión disminuyó bruscamente a una tasa lineal. Cuando esto ocurre, la energía latente del vacío se condensa en forma de partículas y antipartículas. (Así se dio nueva vida al cuadro, muy ridiculizado, de la teoría del estado estable, de átomos que se condensan a partir de un vacío.) Las partículas se aniquilan mutuamente y el torrente resultante de energía unicia el big bang. Las grandes tweorías unificadas, cuya elaboración exige atención a los campos de Higgs, hasta demostraban cómo la ruptura de la simetría al final de la época inflacionaria podía haber originado un pequeño desequilibrio de la materia sobre la antimateria, dejando un residuo, una vez terminados “los fuegos artificiales”, con el cual construir el universo material.

Claro que, a todo esto, nos aparece la discrepancia entre materia observada y el movimiento de las galaxias que no tienen correlación y, es entonces cuando nos tenemos que “inventar”  sacar de nuevo de la manga, otro As, al que hemos llamado “materia oscura”.

emilio silvera

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