Origen del universo. Era de planck

El primer periodo de la vida del universo recibe el nombre de era de Planck. Su duración así como la masa y tamaño máximo que alcanza el universo están fijadas por unas relaciones entre las constantes universales: gravitación, G, Planck, y la velocidad de la luz c. Son la masa, , longitud, , y tiempo , , de Planck:

y finalmente el tiempo de Planck, que es el tiempo empleado por la luz en recorrer la longitud de Planck

Uno de los problemas básicos de la cosmología es conocer que sucedió en la era de Planck y cómo fue creado el universo. Cuando el tiempo se aproxima a cero, la cosmología estándar, predice valores infinitos de la densidad de energía y la presión, y el tamaño del universo adquiere un valor nulo. Esta situación inicial recibe el nombre de singularidad.

En esta época las cuatro fuerzas, gravitación, nuclear intensa, nuclear débil y electromagnética estaban unificadas. La evolución del universo acabará separándolas en procesos sucesivos, congelando la relación entre sus intensidades hasta los valores que poseen actualmente (Tema V, cosmología (2)). La descripción de las propiedades del universo en la era de Planck requiere la aplicación de una teoría adecuada, la gravitación cuántica, que ha de resultar de la unificación de la relatividad general y la mecánica cuántica, cuyos principios son de naturaleza totalmente diferente. Esta tarea fue considerada irresoluble durante mucho tiempo, pero actualmente es objeto de investigación activa y, de tener éxito, proporcionará un instrumento que facilitará al menos la consecución de predicciones cualitativas.

En ausencia por el momento de una teoría adecuada, nadie sabe lo que ocurrió realmente en este periodo, ni que procesos determinaron la creación del universo. Existen sin embargo diversas hipótesis. Algunos investigadores consideran que el universo surgió como una fluctuación cuántica, que sólo puede considerarse en el contexto de la gravedad cuántica, de la nada absoluta. Nada, puede ser un estado sin espacio, ni materia, al menos como nosotros la entendemos. La materia debería aparecer después de que el universo fuera creado. Sin embargo ésta como otras hipótesis concernientes al origen del universo son altamente especulativas y la cosmología nunca será completa hasta que pueda describir, con mayor rigor, los muy primeros instantes de la vida del universo.

UNIVERSO INFLACIONARIO

Cuando la temperatura del universo desciende a , y la edad era de, tiene lugar la primera ruptura espontanea de la unidad inicial y la gravedad aparece como una fuerza separada. Comienza un periodo denominado GUT (Grand Unified Theories), descrito por las teorías de la gran unificación, que concluye a los () al ocurrir el desacoplamiento de la fuerza nuclear intensa con las fuerzas electromagnética y nuclear débil. La separación de estas dos últimas fuerzas (figura 1) ocurrirá cuando la temperatura descienda a ().

En el intervalo de tiempo comprendido entre y , tiene lugar el llamado proceso inflacionario durante el cual el tamaño de universo aumenta por un factor de , que es comparable a la acumulación los efectos de la expansión producidos a lo largo de miles de millones de años. La teoría predice que en el universo primordial existía una forma particular de energía denominada energía de vacío que no estaba asociada con la radiación ni con las partículas. Los efectos producidos pueden caracterizarse con una presión negativa de manera que el universo, en lugar de experimentar una expansión moderada, crece rápidamente de forma exponencial. El vacío del que hablamos no es el que describe la mecánica clásica, sino la teoría cuántica y corresponde a un estado de energía mínima, fundamental, que no es nula.

El modelo inflacionario surgió por la incapacidad de la cosmología estándar para explicar estos primeros momentos. Su aplicación obliga a recurrir a hipótesis rigurosas, que están insuficientemente justificadas, para establecer las condiciones iniciales del universo y además, favorece la producción excesiva de unas partículas exóticas denominadas monopolos magnéticos, que no es compatible con las observaciones. Resuelve además dos problemas importantes: el horizonte y la planitud del universo.

Recordemos que la ley de Hubble establece que la velocidad de una galaxia, v, es proporcional a su distancia, D, de acuerdo con la relación v = Ho x D. Supongamos que el universo tiene una geometría ordinaria y la velocidad de la galaxia es la máxima posible, esto es la velocidad de la luz, c, su distancia definida clásicamente, será Dmax = c/Ho. Este valor define un horizonte, más allá del cual no podemos observar ningún objeto del universo. Dentro de él, las galaxias pueden interactuar intercambiando señales. Están causalmente en contacto. Para justificar el elevado grado de isotropía del universo actual, todas las regiones debieron estar causalmente en contacto en algún momento de la vida del universo aun cuando actualmente ya no lo estén. Sin embargo en un instante t después del inicio del universo, el tamaño del horizonte fue c x t, que es menor que el radio del universo en esa época. Esta situación plantea el llamado problema del horizonte.

La cuestión de la planitud del universo surge cuando diversas predicciones teóricas y resultados observacionales establecen que la densidad media del universo, W o, podría ser actualmente cercana a la unidad. En este caso el espacio en los primeros instantes debió tener una curvatura prácticamente nula.

El modelo inflacionario resuelve ambos problemas al producir un aumento considerable de tamaño en un periodo muy corto de tiempo. Por un lado, una simple región se expande hasta llenar todo el universo. Por otro, el tamaño del universo aumenta en un factor de , la curvatura, que es la inversa del radio es extremadamente pequeña.

La teoría de la inflación parte de unas condiciones iniciales muy versátiles y llega de manera rigurosa a otras que sirven de partida a la cosmología estándar enlazando así con ella. La evolución posterior del universo queda rigurosa y consistentemente descrita por el modelo estándar, que predice resultados que pueden ser ya controlados observacionalmente.