Claves Físicas de la Cosmología

Hasta la segunda mitad del siglo 20 no hubo suficiente evidencia física acumulada, para hacer modelos razonables del proceso de formación del universo. El actual modelo estándar, el modelo del "big bang", se desarrolló en torno a tres grandes piezas de evidencia experimental:

Como con la mayoría de los modelos de la naturaleza, se han efectuado sucesivos refinamientos, y se ha presentado dificultades significativas que han dado lugar a una mayor investigación.

Uno de los aspectos más fascinantes del modelo cosmológico, es el que revela una serie de balances en los parámetros, que deben mantenerse con bastante precisión en el universo, para que este exista tal como lo conocemos. Algunos de estos parámetros se analizan en una sección abierta sobre las "ventanas de la creación".

Cosmología

El modelo cosmológico estándar es el "big bang", y si bien la evidencia que apoya este modelo es enorme, no está exento de problemas. Trefil, en El Momento de la Creación, hace un buen trabajo de señalar esos problemas.

El Problema de la Antimateria

¿Por qué hay un predominio de la materia sobre la antimateria en el universo?. Entresacado de Trefil, pg 38. "después del comienzo de la era de las partículas, no hay ningún proceso conocido que pueda cambiar el número neto de partículas del universo" ".. en el momento en que el universo tenía un milisegundo de edad, el balance entre materia y antimateria se fijó para siempre."

Es evidente que existe cierta asimetría en la forma en que la naturaleza trata a la materia y la antimateria. Una prometedora línea de investigación es el de las violaciónes de la simetría CP en el decaimiento de partículas por la interacción débil. La principal evidencia experimental proviene del decaimiento de los kaones neutros, que muestran una pequeña violación de la simetría CP. En el decaimiento de los kaones a electrones, se tiene una clara distinción entre materia y antimateria, y esto podría ser al menos una de las claves para el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo.

El Problema de la Formación de las Galaxias

La no uniformidad aleatoria en la expansión del universo no es suficiente para permitir la formación de las galaxias. En presencia de una expansión rápida, la atracción gravitacional es demasiado lenta para que se formen galaxias con cualquier modelo razonable de turbulencia, creada por la propia expansión. ".. la cuestión de cómo podía haber llegado a existir la estructura a gran escala del universo, ha sido un gran problema no resuelto en la cosmología". Trefil P43, "nos vemos obligados a mirar al período anterior al primer milisegundo para explicar la existencia de las galaxias."

El Problema del Horizonte

La radiación de fondo de microondas en direcciones opuestas en el espacio, se caracteriza por una temperatura muy similar con un 0,01% de desviación, pero las regiones del espacio de la que fueron emitidos hace 500.000 años, estaban más separadas que el tiempo de tránsito de la luz, y no podrían haberse "comunicado" entre sí para establecer el equilibrio térmico aparente - estaban más allá del "horizonte" de la otra -.

Esta situación también se conoce como el "problema de la isotropía", ya que la radiación de fondo que nos llegan de todas las direcciones del espacio es casi isotrópica. Una forma de expresar el problema es decir que la temperatura de partes de espacio en direcciones opuestas desde nosotros es casi exactamente la misma, pero ¿cómo podrían estar en equilibrio térmico entre sí si no pueden comunicarse entre sí?. Si se considera el tiempo transcurrido final como 14 mil millones de años, obtenido de una constante de Hubble de 71 km/s por megaparsec según lo sugerido por WMAP, entonces estos lugares remotos del universo estan separados de 28 mil millones de años, de modo que ¿por qué tienen exactamente la misma temperatura?.

Al estar separadas el doble de la edad del universo, es suficiente para hacer la pregunta sobre el problema del horizonte, pero como Schramm señala, si nos fijamos en el problema desde las primeras perspectivas, es aún más grave. En el momento en que se emitieron realmente los fotones, estos habrían estado separados 100 veces la edad del universo, o 100 veces causalmente desconectados.

Este problema es una de las líneas de pensamiento que condujo a la hipótesis inflacionaria planteada por Alan Guth en la década de 1980. La respuesta al problema del horizonte desde el punto de vista inflacionario es, que hubo un período de inflación increíblemente rápido muy temprano en el proceso del big bang, que aumentó el tamaño del universo por 10²⁰ o 10³⁰, y que el universo observable actual está "dentro" de esa expansión. La radiación que vemos es isotrópica porque todo ese espacio fué "inflado" desde un volumen pequeño, y tenía esencialmente idénticas condiciones iniciales.

El Problema de la Planitud

Las observaciones indican que la cantidad de materia en el universo es sin duda superior a una décima parte y seguramente menos de diez veces la cantidad crítica necesaria para detener la expansión. Esta expansión es apenas abierta o apenas cerrada, o "casi muy plana". He aquí una buena analogía -una pelota lanzada desde la tierra se ralentizará y llegará un momento en que parará. Esa misma pelota lanzada con la misma velocidad desde un pequeño asteroide, no se detendría nunca (Trefil pp46-47)-. En principio en esta tirada teórica desde el asteróide, podría parecer, que se ha lanzado con justo la velocidad correcta, para que camine por siempre, disminuyendo la velocidad a cero en un tiempo y distancia infinitos. Pero a medida que pasara el tiempo, habría una mayor evidencia, si se hubiera perdido la ventana de velocidad, aunque fuera por una pequeña cantidad. Si después de 20 mil millones de años de viaje, todavía pareciera que se había tirado con la velocidad correcta, entonces sería cierto que el lanzamiento inicial fué el preciso.

Cualquier desviación de "planitud" deberá volverse exagerado con el transcurso del tiempo, y en la etapa actual del universo, pequeñas irregularidades deberían haber sido muy amplificadas. Si la densidad del universo actual parece estar muy cerca de la densidad crítica, entonces en épocas anteriores debió haber sido aún mucho mas "plana". Se le acredita a Alan Guth, una conferencia a cargo de Robert Dicke sobre una influencia que lo puso en el camino "inflacionario"; Dicke señaló que la planitud del universo de hoy, requiere que el mismo ya lo fuera en una parte en 10¹⁴, un segundo después del Big Bang. Kaufmann sugiere que justo después del Big Bang, la densidad debe haber sido ¡igual a la densidad crítica con 50 cifras decimales!.

A principios de la década de 1980, Alan Guth propuso que hubo un breve período de expansión extremadamente rápida tras el tiempo de Planck de 10^-43 segundos. Este "modelo inflacionario" era una forma de lidiar tanto con el problema de la planitud, como con el problema del horizonte. Si el universo se infló por 20 a 30 órdenes de magnitud, entonces, las propiedades de un volumen extremadamente pequeño, que podría haberse considerado estar íntimamente conectado, se extiende sobre la totalidad del universo hoy conocido, contribuyendo tanto a la planitud extrema como a la naturaleza extremadamente isotrópica de la radiación de fondo cósmica.