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Es el universo inflacionario una teoría científica? Ya no

Comenzó con una explosión
El Universo está ahí fuera, esperando que lo descubras



Es el universo inflacionario una teoría científica? Ya no
Por Sabine Hossenfelder, para Forbes Septiembre 28 de 2017



universo
El Universo en expansión, lleno de galaxias y estructura compleja que vemos hoy, surgió de un estado más pequeño, más caliente, más denso, más uniforme. Crédito de la imagen: C. Faucher-Giguère, A. Lidz y L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Estamos hechos de fluctuaciones cuánticas estiradas. Al menos eso es la explicación más popular de los cosmólogos. De acuerdo con su teoría, la historia de nuestra existencia comenzó hace miles de millones de años con un campo - ahora ausente - que impulsó al universo a una fase de rápida expansión llamada inflación. Cuando la inflación terminó, el campo se descompuso y su energía se convirtió en radiación y partículas que todavía están alrededor hoy.

La inflación fue propuesta hace más de 35 años, entre otros, por Paul Steinhardt. Pero Steinhardt se ha convertido en uno de los críticos más fervientes de la teoría. En un reciente artículo en Scientific American, Steinhardt junto con Anna Ijjas y Avi Loeb, no se detengan. La mayoría de los cosmólogos, afirman, son creyentes sin crítica:

"La comunidad de la cosmología no ha tomado una mirada fría y honesta a la teoría inflacionista del big bang ni prestó una atención significativa a los críticos que cuestionan si la inflación ocurrió. Más bien, los cosmólogos parecen aceptar por el valor nominal la afirmación de los proponentes de que debemos creer la teoría inflacionaria porque ofrece la única explicación simple de las características observadas del universo.


big bang
Las fluctuaciones cuánticas inherentes al espacio, extendidas a través del Universo durante la inflación cósmica, dieron lugar a las fluctuaciones de densidad impresas en el fondo cósmico de microondas, que a su vez dio lugar a las estrellas, galaxias y otras estructuras a gran escala en el Universo de hoy. Crédito de la imagen: E. Siegel, con imágenes derivadas de la ESA / Planck y el grupo de trabajo interinstitucional DoE / NASA / NSF sobre la investigación CMB

Y es aún peor, sostienen, la inflación no es ni siquiera una teoría científica:

"La cosmología inflacionaria, como la entendemos actualmente, no puede ser evaluada usando el método científico".


Como alternativa a la inflación, Steinhardt et al. promover un "gran rebote". En este escenario, la expansión actual del universo fue precedida por una fase de contracción, que proporcionó beneficios similares a la inflación.

La lucha del grupo contra la inflación no es noticia. Ellos expusieron sus argumentos en una serie de documentos durante los últimos años (sobre los cuales ya comenté anteriormente). Pero la reciente pieza de SciAm llamó a los defensores de la inflación en el escenario. Dirigidos por David Kaiser, firmaron una carta a Scientific American en la que se quejaban de que la revista daba espacio a la crítica inflacionaria.

La lista de la carta de abajo firmante es una extraña selección de investigadores que trabajan en la inflación y de las luminarias de la física que tienen poco o nada que ver con la inflación. Curiosamente, Slava Mukhanov - uno de los primeros en obtener predicciones de la inflación - no firmó. Y no es porque no le preguntaron. En una charla enérgica pronunciada en la conferencia de cumpleaños de Stephen Hawking hace dos meses, Mukhanov dejó bastante claro que él piensa que la mayor parte de la construcción de modelos inflacionaria es una pérdida de tiempo.

Estoy de acuerdo con la evaluación de Muhkanov. El documento de Steinhardt et al. artículo no es exactamente una obra maestra de la escritura de la ciencia. También es lamentable que estén utilizando SciAm para promover alguna otra teoría de cómo el universo comenzó en lugar de apegarse a su crítica de la inflación. Pero algunas críticas están atrasadas.

inflacion
Varios modelos de inflación y lo que predicen para las fluctuaciones escalar (eje x) y tensor (eje y) de la inflación. Observe cómo apenas un pequeño subconjunto de modelos inflacionarios viables da lugar a una variedad enorme de predicciones posibles para estos parámetros.

El problema de la inflación no es la idea per se, sino la sobreproducción de modelos inflacionarios inútiles. Hay literalmente cientos de estos modelos, y son - como dicen los filósofos - severamente subdeterminados. Esto significa que si se extrapolan los modelos que ajustan los datos actuales a regímenes que todavía no se han probado, el resultado es ambiguo. Diferentes modelos conducen a predicciones muy diferentes para las observaciones aún no hechas. Por lo tanto, es totalmente inútil volverse con los detalles de la inflación porque hay literalmente infinitos modelos que uno puede pensar, dando lugar a infinidad de "predicciones" diferentes.

Sin embargo, en lugar de abordar este problema de superproducción, Steinhardt et al. en su parte SciAm se centran en el fracaso de la inflación para resolver los problemas que estaba destinado a resolver. Sin embargo, esta crítica está fuera de destino porque los problemas que la inflación estaba destinada a resolver no son problemas para empezar.

Lo digo en serio. Veamos los uno por uno:

fondo cosmico de microondas
Si la simetría restauradora de la gran unificación se rompiera, se produciría un gran número de monopolos magnéticos. Pero nuestro Universo no los exhibe; si la inflación cósmica tuvo lugar después de que esta simetría se rompió, a lo sumo un monopolo aún estaría presente dentro del Universo observable. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy

1. El problema del monopolo:

Guth inventó la inflación para resolver el "problema monopólico". Si el universo primitivo sufrió una transición de fase, por ejemplo porque la simetría de la gran unificación se rompió, entonces los defectos topológicos, como los monopolos, debieron producirse abundantemente. Sin embargo, no vemos ninguno de ellos. La inflación diluye la densidad de los monopolos (y otras preocupaciones) de modo que es poco probable que alguna vez encontremos uno.

Pero una explicación plausible de por qué no vemos monopolos es que no hay ninguno. No sabemos si hay gran simetría que se rompió en el universo primitivo, o si lo hay, no sabemos cuándo se rompió, o si la ruptura produjo algún defecto. De hecho, todos los buscadores de evidencia de gran simetría - sobre todo a través de la descomposición de protones - resultó negativo. Esta motivación es interesante hoy por razones meramente históricas.

Es el universo inflacionario una teoría científica? Ya no
Las fluctuaciones cuánticas que ocurren durante la inflación se estiran realmente a través del universo, pero la característica más grande de la inflación es que el universo consigue estirado plano, quitando cualquier curvatura preexistente. Crédito de la imagen: E. Siegel / Más allá de la galaxia

2. El problema de la planicidad

El problema de la planeidad es un problema de ajuste fino. El universo actualmente parece estar casi plano, o si tiene alguna curvatura espacial, esa curvatura debe ser muy pequeña. La contribución de la curvatura a la dinámica del universo sin embargo aumenta en relevancia relativa a la de la materia. Esto significa que si la curvatura es pequeña hoy, debe haber sido aún más pequeña en el pasado. La inflación sirve para hacer que cualquier contribución de curvatura inicial sea más pequeña en algo así como 100 órdenes de magnitud o algo así.

Esto se supone que es una explicación, pero no explica nada, porque ahora usted puede preguntar, bien, ¿por qué la curvatura original no era mayor que cualquier otro número? La razón por la que algunos físicos creen que algo se está explicando aquí es que los números cercanos a 1 son bastante de acuerdo con los estándares de belleza actuales, mientras que los números mucho más pequeños que 1 números no lo son. El problema de la planeidad, por lo tanto, es un problema de estética, y no creo que sea un argumento que cualquier científico debería tomar en serio.

universo
El Universo parece tener la misma temperatura en todas partes, incluso en regiones causalmente desconectadas del cielo. Esto se conoce coloquialmente como el problema del horizonte.

3. El problema del horizonte

El Cosmic Microwave Background (CMB) tiene casi la misma temperatura exacta en todas las direcciones. El problema es que si rastreamos el origen de la radiación de fondo sin inflación, entonces encontramos que la radiación que nos alcanzó desde diferentes direcciones nunca estuvo en contacto causal entre sí. ¿Por qué entonces tiene la misma temperatura en todas las direcciones?

Para ver por qué este problema no es un problema, usted tiene que saber cómo funcionan las teorías que usamos actualmente en la física. Tenemos una ecuación - una "ecuación diferencial" - que nos dice cómo un sistema (por ejemplo, el universo) cambia de un lugar a otro y de un momento a otro. Para hacer cualquier uso de esta ecuación, sin embargo, también necesitamos valores iniciales o "condiciones iniciales". *

El problema del horizonte pregunta "por qué esta condición inicial" para el universo. Esta pregunta se justifica si una condición inicial es complicada en el sentido de requerir mucha información. Pero una temperatura homogénea no es complicada. Es dramáticamente fácil. Y no sólo no hay mucho que explicar, la inflación ni siquiera responde a la pregunta "por qué esta condición inicial", porque todavía necesita una condición inicial. Es sólo una condición inicial diferente. No es más simple y no explica nada.

Otra manera de ver que esto no es un problema: si volviera atrás en el tiempo lo suficiente sin inflación, llegaría a un período en que la materia era tan densa y la curvatura tan alta que la gravedad cuántica era importante. ¿Y qué sabemos acerca de la probabilidad de condiciones iniciales en una teoría de la gravedad cuántica? Nada. Absolutamente nada.

Sin embargo, el hecho de que necesitamos la gravedad cuántica para explicar la condición inicial del universo es un punto de vista extremadamente impopular porque no se puede calcular nada y no se pueden hacer predicciones.

La inflación, por otra parte, es un modelo maravillosamente productivo que permite a los cosmólogos producir papeles.

big bang
El espectro de potencia de las fluctuaciones en el CMB se ajustan mejor mediante una curva única y única. Esta curva puede derivarse exclusivamente, tanto en forma como en magnitud, de los contenidos del Universo y de las condiciones iniciales proporcionadas por las predicciones de inflación.

Usted encontrará los tres problemas mencionados anteriormente repetidos religiosamente como una motivación para la inflación, en conferencias y libros de texto y páginas de la ciencia popular en todo el lugar. Pero estos problemas no son problemas, nunca fueron problemas, y nunca requerían una solución.

A pesar de que la inflación fue mal motivada cuando se concibió, sin embargo, más tarde resultó para resolver realmente algunos problemas reales. Sí, a veces los físicos trabajan en las cosas equivocadas por las razones correctas, ya veces trabajan en las cosas correctas por las razones equivocadas. La inflación es un ejemplo para el segundo.

Las razones por las que muchos físicos hoy piensan que algo así como la inflación debe haber ocurrido no son que supuestamente resuelve los tres problemas anteriores. Es que algunas características del CMB tienen correlaciones (el "espectro de potencia TE"inflacion que dependen del tamaño de las fluctuaciones, e implica una dependencia del tamaño del universo. Esta correlación, por lo tanto, no puede ser fácilmente explicada por la simple elección de una condición inicial, ya que es la información que se remonta a tiempos diferentes. Realmente nos dice algo acerca de cómo el universo cambió con el tiempo, no sólo de donde empezó. **

Otras dos características convincentes de la inflación son que, en circunstancias bastante generales, el modelo también explica la ausencia de ciertas correlaciones en el CMB (las "no gaussianas"fondo cosmico de microondas y cuántas fluctuaciones de CMB hay de cualquier tamaño, cuantificadas por lo que es conocido como el "factor de escala".

Pero aquí está el frotamiento. Para hacer predicciones con inflación no se puede decir simplemente que "una vez hubo expansión exponencial y terminó de alguna manera". No, para poder calcular algo, se necesita un modelo matemático. Los modelos actuales para la inflación de trabajo mediante la introducción de un nuevo campo - el "inflaton" - y dar a este campo una energía potencial. La energía potencial depende de varios parámetros. Y estos parámetros pueden relacionarse con observaciones.

Es el universo inflacionario una teoría científica? Ya no
Tres posibles potencialidades de "colinas y valles" que podrían describir la inflación cósmica. Aunque dan resultados algo diferentes para los diversos parámetros del Universo, no hay motivación para elegir un modelo sobre otro. Creado con la herramienta de gráficos de Google.

El enfoque científico de la situación sería elegir un modelo, determinar los parámetros que mejor se ajusten a las observaciones y, a continuación, revisar el modelo como necesario, es decir, a medida que vayan apareciendo nuevos datos. Pero eso no es lo que hacen actualmente los cosmólogos. En cambio, han producido tantas variantes de modelos que ahora pueden "predecir" prácticamente cualquier cosa que pueda medirse en el futuro previsible.

Es esta abundancia de modelos inútiles lo que da lugar a la crítica de que la inflación no es una teoría científica. Y por eso, la crítica está justificada. No es una buena práctica científica. Es una práctica que, para decirlo sin rodeos, se ha convertido en un lugar común porque da lugar a documentos, no porque avanza la ciencia.

Por lo tanto, quedé consternado al ver que la crítica de Steinhardt, Ijas y Loeb fue rechazada tan rápidamente por una comunidad que se ha vuelto demasiado cómoda consigo misma. La inflación es útil porque relaciona las observaciones existentes con un modelo matemático subyacente, sí. Pero todavía no tenemos datos suficientes para hacer predicciones fiables de ella. Ni siquiera tenemos suficientes datos para descartar de manera convincente alternativas.

No ha habido un Premio Nobel de la inflación, y creo que el comité del Nobel lo hizo bien en esa decisión.

No hay señales de advertencia cuando cruzas la frontera entre la ciencia y la blabla-tierra. Pero la construcción de modelos inflacionarios dejó atrás especulaciones científicas razonables hace mucho tiempo. Por mi parte, me alegro de que al menos algunas personas estén hablando sobre ello. Y es por eso que apruebo el Steinhardt et al. crítica.



* Contrariamente a lo que el nombre sugiere, las condiciones iniciales podrían ser en cualquier momento, no necesariamente la inicial. Todavía les llamaríamos condiciones iniciales.

** Este argumento es algo circular porque extraer la dependencia del tiempo para los modos ya presupone algo así como la inflación. Pero al menos es un indicador fuerte.

Sabine es un físico teórico especializado en gravedad cuántica y física de alta energía. Ella también freelance escribe sobre la ciencia.


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1 comentario - Es el universo inflacionario una teoría científica? Ya no

alesandman
No kapo, es en economía lo que hay inflación. Ash...