Inflación eterna

La inflación eterna es un modelo hipotético de universo inflacionario , que es en sí mismo una consecuencia o extensión de la teoría del Big Bang .

Según la inflación eterna, la fase inflacionaria de la expansión del universo dura eternamente en la mayor parte del universo. Como las regiones se expanden exponencialmente rápido, la mayor parte del volumen del universo en un momento dado se infla. La inflación eterna, por lo tanto, produce un multiverso hipotéticamente infinito , en el que solo un volumen fractal insignificante pone fin a la inflación.

Paul Steinhardt , uno de los investigadores originales del modelo inflacionario, presentó el primer ejemplo de inflación eterna en 1983, ^[1] y Alexander Vilenkin demostró que es genérico. ^{[2] [ aclaración necesaria ]}

El artículo de 2007 de Alan Guth , "La inflación eterna y sus implicaciones", ^[3] afirma que, bajo supuestos razonables, "aunque la inflación es genéricamente eterna en el futuro, no es eterna en el pasado". Guth detalló lo que se sabía sobre el tema en ese momento y demostró que la inflación eterna todavía se consideraba el resultado probable de la inflación, más de 20 años después de que Steinhardt la introdujera por primera vez.

La inflación, o teoría del universo inflacionario, se desarrolló originalmente como una forma de superar los pocos problemas restantes de lo que de otro modo se consideraba una teoría exitosa de la cosmología: el modelo del Big Bang.

En 1979, Alan Guth introdujo el modelo inflacionario del universo para explicar por qué el universo es plano y homogéneo (que se refiere a la distribución uniforme de materia y radiación a gran escala). ^[4] La idea básica era que el universo atravesó un período de expansión rápidamente acelerada unos instantes después del Big Bang. Guth propuso un mecanismo para provocar el inicio de la inflación: la energía del falso vacío . Guth acuñó el término "inflación" y fue el primero en discutir la teoría con otros científicos de todo el mundo.

La formulación original de Guth era problemática, ya que no había una manera consistente de poner fin a la época inflacionaria y terminar con el universo caliente, isótropo y homogéneo que observamos hoy. Aunque el vacío falso podía desintegrarse en "burbujas" vacías de "vacío verdadero" que se expandían a la velocidad de la luz, las burbujas vacías no podían unirse para recalentar el universo, porque no podían seguir el ritmo del universo inflado restante.

En 1982, este " problema de la salida elegante " fue resuelto independientemente por Andrei Linde y por Andreas Albrecht y Paul J. Steinhardt ^[5], quienes demostraron cómo terminar con la inflación sin crear burbujas vacías y, en cambio, terminar con un universo caliente en expansión. La idea básica era tener un "rollo lento" continuo o una evolución lenta desde el vacío falso al vacío verdadero sin crear burbujas. El modelo mejorado se denominó "nueva inflación".

En 1983, Paul Steinhardt fue el primero en demostrar que esta "nueva inflación" no tiene por qué terminar en todas partes. ^[1] En cambio, podría terminar solo en una zona finita o en una burbuja caliente llena de materia y radiación, y que la inflación continúa en la mayor parte del universo mientras produce burbuja caliente tras burbuja caliente a lo largo del camino. Alexander Vilenkin demostró que cuando se incluyen adecuadamente los efectos cuánticos, esto es en realidad genérico para todos los nuevos modelos de inflación. ^[2]

Utilizando las ideas introducidas por Steinhardt y Vilenkin, Andrei Linde publicó en 1986 un modelo alternativo de inflación que utilizó estas ideas para proporcionar una descripción detallada de lo que se conoce como la teoría de la inflación caótica o inflación eterna. ^[6]

La nueva inflación no produce un universo perfectamente simétrico debido a las fluctuaciones cuánticas que se producen durante la inflación. Las fluctuaciones hacen que la densidad de energía y materia sean diferentes en distintos puntos del espacio.

Las fluctuaciones cuánticas en el hipotético campo inflatón producen cambios en la tasa de expansión que son responsables de la inflación eterna. Las regiones con una tasa de inflación más alta se expanden más rápido y dominan el universo, a pesar de la tendencia natural de la inflación a terminar en otras regiones. Esto permite que la inflación continúe para siempre, para producir una inflación futura-eterna. Como ejemplo simplificado, supongamos que durante la inflación, la tasa de decaimiento natural del campo inflatón es lenta en comparación con el efecto de la fluctuación cuántica. Cuando un miniuniverso se infla y se "auto-reproduce" en, digamos, veinte miniuniversos causalmente desconectados de igual tamaño que el miniuniverso original, tal vez nueve de los nuevos miniuniversos tendrán un valor promedio del campo inflatón mayor, en lugar de menor, que el miniuniverso original, porque se inflaron a partir de regiones del miniuniverso original donde la fluctuación cuántica empujó el valor del inflatón hacia arriba más de lo que la tasa de decaimiento lento de la inflación hizo bajar el valor del inflatón. Originalmente había un miniuniverso con un valor de inflatón dado; Ahora hay nueve mini-universos que tienen un valor de inflatón ligeramente mayor. (Por supuesto, también hay once mini-universos donde el valor de inflatón es ligeramente menor que el original). Cada mini-universo con el valor de campo de inflatón más grande reinicia una ronda similar de autorreproducción aproximada dentro de sí mismo. (Los mini-universos con valores de inflatón más bajos también pueden reproducirse, a menos que su valor de inflatón sea lo suficientemente pequeño como para que la región salga de la inflación y cese la autorreproducción.) Este proceso continúa indefinidamente; nueve mini-universos de alto inflatón podrían convertirse en 81, luego en 729... Por lo tanto, hay inflación eterna. ^[7]

En 1980, Viatcheslav Mukhanov y Gennady Chibisov ^{[8] [9]} sugirieron que las fluctuaciones cuánticas eran posibles semillas para la formación de galaxias en el contexto de un modelo de gravedad modificada de Alexei Starobinsky ^{[10] .}

En el contexto de la inflación, las fluctuaciones cuánticas se analizaron por primera vez en el Taller Nuffield de tres semanas sobre el Universo muy temprano en la Universidad de Cambridge en 1982. ^[11] La fuerza promedio de las fluctuaciones fue calculada por primera vez por cuatro grupos que trabajaron por separado durante el taller: Stephen Hawking ; ^[12] Starobinsky; ^[13] Guth y So-Young Pi ; ^[14] y James M. Bardeen , Paul Steinhardt y Michael Turner . ^[15]

Los primeros cálculos derivados del Taller de Nuffield se centraban únicamente en las fluctuaciones medias, cuya magnitud es demasiado pequeña para afectar a la inflación. Sin embargo, a partir de los ejemplos presentados por Steinhardt ^[1] y Vilenkin ^[2], se demostró posteriormente que la misma física cuántica produce fluctuaciones ocasionales importantes que aumentan la tasa de inflación y la mantienen eternamente activa.

Al analizar los datos del satélite Planck de 2013, Anna Ijjas y Paul Steinhardt demostraron que se habían eliminado los modelos inflacionarios más sencillos que figuraban en los libros de texto y que los modelos restantes requieren condiciones iniciales exponencialmente más ajustadas, más parámetros que ajustar y menos inflación. Observaciones posteriores del Planck, publicadas en 2015, confirmaron estas conclusiones. ^{[16] [17]}

Un artículo de 2014 de Kohli y Haslam puso en tela de juicio la viabilidad de la teoría de la inflación eterna, al analizar la teoría de la inflación caótica de Linde en la que las fluctuaciones cuánticas se modelan como ruido blanco gaussiano. ^[18] Demostraron que en este escenario popular, la inflación eterna de hecho no puede ser eterna, y el ruido aleatorio lleva a que el espacio-tiempo se llene de singularidades. Esto se demostró al mostrar que las soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein divergen en un tiempo finito. Por lo tanto, su artículo concluyó que la teoría de la inflación eterna basada en fluctuaciones cuánticas aleatorias no sería una teoría viable, y la existencia resultante de un multiverso es "todavía una cuestión muy abierta que requerirá una investigación mucho más profunda".

En 1983, se demostró que la inflación podría ser eterna, dando lugar a un multiverso en el que el espacio se divide en burbujas o parches cuyas propiedades difieren de un parche a otro abarcando todas las posibilidades físicas.

Paul Steinhardt, que produjo el primer ejemplo de inflación eterna, ^[1] acabó convirtiéndose en un firme y vocal oponente de la teoría. Sostuvo que el multiverso representaba un fracaso de la teoría inflacionaria, porque, en un multiverso, cualquier resultado es igualmente posible, por lo que la inflación no permite predicciones y, por lo tanto, no es comprobable. En consecuencia, sostuvo, la inflación no cumple una condición clave para una teoría científica . ^{[19] [20]}

Sin embargo, tanto Linde como Guth siguieron apoyando la teoría inflacionaria y el multiverso. Guth declaró:

Es difícil construir modelos de inflación que no conduzcan a un multiverso. No es imposible, así que creo que todavía queda mucho por investigar. Pero la mayoría de los modelos de inflación sí conducen a un multiverso, y la evidencia de la inflación nos empujará a tomar en serio la idea de un multiverso. ^[21]

Según Linde, “es posible inventar modelos de inflación que no permitan la existencia de un multiverso, pero es difícil. Cada experimento que aporta mayor credibilidad a la teoría inflacionaria nos acerca mucho más a indicios de que el multiverso es real”. ^[21]

En 2018, el fallecido Stephen Hawking y Thomas Hertog publicaron un artículo en el que se desvanece la necesidad de un multiverso infinito, ya que Hawking dice que su teoría da universos que son "razonablemente suaves y globalmente finitos". ^{[22] [23]} La teoría utiliza el principio holográfico para definir un "plano de salida" del estado atemporal de inflación eterna. Los universos que se generan en el plano se describen utilizando una redefinición de la función de onda sin límite ; de ​​hecho, la teoría requiere un límite al comienzo del tiempo. ^[24] En pocas palabras, Hawking dice que sus hallazgos "implican una reducción significativa del multiverso" que, como señala la Universidad de Cambridge, hace que la teoría sea "predictiva y comprobable" utilizando la astronomía de ondas gravitacionales . ^[25]

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• La teoría del 'multiverso' sugerida por el fondo de microondas, BBC News, 3 de agosto de 2011 sobre la prueba de la inflación eterna.