TEMES

De com en una nit inspirada Alan Guth va descobrir la inflació còsmica

I resolgué de cop i volta tots els problemes del vell model del big-bang

En altres posts d’aquest mateix blog he explicat com va aparèixer el model de Georges Lemaître de l’àtom primigeni (si en voleu els detalls podeu consultar el meu llibre Cosmología moderna: desde sus orígenes [1]). Salvant les distàncies, podríem dir que aquell model tenia reminiscències d’algunes propostes sorgides molts segles enrere, com l’al·legoria de l'ou còsmic, una explicació dels orígens de l'Univers i de la Terra que es troba en diverses cultures, com l'egípcia, la hindú i la xinesa, i que reaparegué després en antigues llegendes del nord d’Europa. 

Ja de bon començament, el model d'àtom primitiu de Lemaître generà certa controvèrsia, perquè els especialistes en el tema es van adonar aviat que no tenia gaire consistència. I, pocs anys més tard, la proposta va rebre crítiques encara més ferotges; en paral·lel amb els progressos fets en el coneixement de les naixents física atòmica i física nuclear, aplicats a les primeres etapes d’evolució de l’Univers. Avenços que foren protagonitzats per físics molt rellevants, com ara W.S. Adams, T. Dunham, G. Gamov, R.A. Alpher, R.C. Herman i F. Hoyle. Aquest darrer va concloure que de cap manera no hi podia haver hagut un àtom primitiu que concentrés tota la massa i l’energia de l'Univers, tal qual. Per altra banda, la seva desintegració, a quin tipus de fenomen podia obeir? Lemaître en va apuntar alguns, però amb poc èxit.

George Gamow i Fred Hoyle

El primer a donar al model de Lemaître un sentit bastant més rigorós —i qui de fet va batejar-lo amb el nom de model del big-bang— va ser George Gamow (1904-1968), un físic que esdevingué famós per diversos motius. Nascut el 1904 a Odessa (Ucraïna), que aleshores formava part de l'imperi rus, va estudiar a la universitat de Leningrad (ara Sant Petersburg), on fou alumne d’Alexandr Friedmann i amic de Lev Landau. Després d'una fulgurant carrera a Rússia, on als 28 anys ja fou elegit membre corresponent de l'Acadèmia de Ciències, el 1933 va aprofitar la seva participació en la setena Conferència Solvay, celebrada a Brussel·les, per fugir del país junt amb la seva esposa. Comptà de fet amb la col·laboració de Marie Curie i altres físics, que el van ajudar a perllongar la seva estada visitant diverses universitats europees. L'any següent va creuar l’Atlàntic i aterrà a la Universitat George Washington, on al cap de poc temps fou nomenat catedràtic, gràcies al seu extraordinari currículum. De seguida va reclutar Edward Teller, que aleshores era a Londres i qui amb el temps esdevindria un personatge important en el programa nuclear dels EUA. Junts van treballar en la teoria de la desintegració beta. Gamow va col·laborar també amb Ralph Alpher, Robert Herman i Hans Bethe. Un dels seus treballs fou el famós article d'Alpher, Bethe i Gamow, que se sol exhibir com a prova palpable del caràcter imaginatiu d’aquest darrer, que va convidar Bethe a signar sense més ni més l’article que Gamow havia ja acabat amb Alpher, per tal de reunir junts una tan singular terna d’autors [1]. 

Cap a finals dels anys 1930 l’interès de Gamow va girar cap a la cosmologia i, en particular, cap al que ara s'anomena problema de la nucleosíntesi del big-bang. Fou ell precisament qui va reprendre la investigació dels models de Friedmann i de Lemaître d’un Univers que s’expandia partint d’un origen en el passat, i reformulà de dalt a baix la caricaturesca idea de l'àtom primigeni o ou còsmic. Aconseguí, així, dotar el model d'un sentit físic molt més precís, ja d’acord amb els coneixements de la física nuclear de l'època. 

Fou precisament aquest model, posat ja al dia per Gamow, el que Fred Hoyle (1915-2001) atacà durament en la seva famosa locució radiofònica a la BBC del 28 de març de 1949 (jo n’he fet una fa poc a Radiovoz, per si la voleu escoltar [2]). Hoyle s'havia adonat, un temps abans, que, sota les condicions descrites en el model perfeccionat per Gamow, encara no era pas possible la generació d'àtoms pesats. En les condicions que, d’acord amb la teoria, regnaven en aquelles primeres etapes de l’Univers, com a molt podrien produir-se nuclis d’hidrogen, deuteri, heli, i potser uns pocs de liti

I és que Hoyle era un profund coneixedor del tema. No en va havia estat l'autor dels dos primers treballs mai publicats sobre la síntesi dels elements químics més pesants que l'heli a partir de reaccions nuclears a les estrelles. En el primer d'aquests, de 1946, va concloure que, en determinades condicions, els nuclis de les estrelles podrien evolucionar a temperatures de milers de milions de graus, valors que estaven moltíssim per sobre de les temperatures que es considerava que tenien els nuclis de les estrelles de la seqüència principal. Hoyle demostrà que, a temperatures tan altes, el ferro havia de tornar-se molt més abundant que els altres elements pesants, com a conseqüència de l'equilibri tèrmic entre les partícules nuclears; cosa que explicava molt satisfactòriament la gran abundància natural d'aquest element al nostre planeta. Aquesta idea rebria més tard el nom de procés i. I en una segona publicació pionera, Hoyle havia demostrat que els elements entre el carboni i el ferro no es podien sintetitzar mitjançant aquests processos d'equilibri. Va atribuir la producció d'aquests elements a reaccions de fusió nuclear específiques entre constituents que abunden en capes concèntriques d'estrelles massives evolucionades com a presupernoves. Aquella imatge, sorprenentment moderna per al seu temps, és el paradigma acceptat avui per a la nucleosíntesi d'aquests elements químics, que té lloc a les explosions de supernoves

Més tard, ja a mitjans de la dècada del 1950, Hoyle lideraria a Cambridge un grup de físics experimentals i teòrics de gran nivell, entre els quals hi havia William Fowler (que rebria més tard el premi Nobel) i Margaret i Geoffrey Burbidge. Aquest grup va sistematitzar les idees bàsiques sobre com es van crear tots els elements químics en el nostre Univers, a part dels molt lleugers, camp que es coneix amb el nom de nucleosíntesi estel·lar. El 1957, el grup va escriure un article que esdevingué famós, conegut com B2FH (per les inicials dels quatre autors), on s’establiren les bases d'aquesta disciplina; la qual segueix tenint una importància extraordinària en l'actualitat. En particular, el pes relatiu dels processos r i s de captura de neutrons a la nucleosíntesi va quedar establert en aquell treball.

Deixant ara de banda totes aquestes consideracions tècniques, el que Hoyle va observar en el model de Lemaître, tot i haver estat ja molt millorat per Gamow, és que li mancava una etapa inicial decisiva, això és, una gegantina expansió del teixit de l’espai per tal de poder crear de sobte tota la matèria i l’energia a l’inici de l’Univers. Es necessitava incorporar-hi, doncs (aquestes foren les seves paraules) un big-bang inicial, ja que no hi havia cap altra possibilitat d’engendrar la matèria/energia i poder salvar aquell model. És això precisament el que va dir per la BBC el dia 28 de març de 1949. Deixà també ben clar, però, que un big-bang com aquell ell el veia del tot impossible.

He de remarcar aquí que comptadíssimes persones van entendre aleshores a fons el que Hoyle va dir i que molt poques (fora de les coneixedores de la teoria de la relativitat general) són capaces encara avui de fer-ho, quan han passat ja 72 anys [1].

L’inesgotable enginy i la gran sorna de Gamow el van portar aquest cop, després d’escoltar Hoyle, a batejar el seu model (hereu, recordem-ho, dels de Friedmann i Lemaître) com a “model del big-bang”, adoptant, doncs, precisament, el qualificatiu despectiu amb què el rival havia volgut desprestigiar-lo. Denominació que li va donar considerable fama i li ha quedat per sempre. Gamow va publicar encara una vintena de treballs sobre cosmologia, abans que els seus interessos giressin de nou, aquesta vegada cap a l'estudi del codi genètic, on va fer també contribucions rellevants.

Fred Hoyle és ara conegut sobretot per la seva teoria de la nucleosíntesi estel·lar, en altres paraules, per haver descobert l'importantíssim fet que tots som pols d'estrelles. Déu n'hi do. Algú sap una expressió tan preciosa i profunda com aquesta? Com ja he explicat, Hoyle estava convençut que el big-bang que ell mateix havia proposat —com a única solució imaginable per poder substanciar el model de Gamow— mai no s’hauria pogut produir, de fet; que era del tot impossible! I així ho va manifestar, emfàticament, quan d’una manera despectiva va pronunciar, per primer cop a la història, aquestes dues paraules: big-bang.

Alan Guth i la seva teoria de la inflació còsmica

Però, heus aquí com són les coses: a vegades el que és impossible es fa realitat (vulguem-ne prendre nota). Resulta que, exactament trenta anys més tard, Alan Guth (1947), un doctor en física teòrica nord-americà que estava a punt d’esgotar el seu darrer contracte com a investigador postdoctoral, cosa que l’hauria deixat al carrer —com tan sovint passa ara també al nostre país— davant la necessitat imperiosa (com ell mateix confessà) de fer alguna cosa realment extraordinària, va ser prou hàbil per construir una teoria —que anomenà inflació còsmica— que no tan sols era capaç de fer allò que Hoyle havia considerat impossible, sinó que, a més, resolia d’una sola tacada tots els altres greus problemes (de causalitat, de l’horitzó, de les fluctuacions primordials i d’absència de monopols magnètics) que s’havien anat acumulant, al llarg de diverses dècades, sobre el model del big-bang.

Existeix una descripció preciosa i acurada, deguda al mateix Guth i publicada al Boston Globe —i que vaig extreure un cop de la seva pàgina web— sobre com, trobant-se en una situació molt desesperada i després d'una nit en blanc, va ser capaç d’arribar al concepte d'inflació còsmica.

Alan Guth va créixer a Highland Park (Nova Jersey) ajudant ocasionalment el seu pare en el negoci familiar de neteja en sec. Era un nen molt intel·ligent i els mestres que tenia no sabien què fer amb ell. Diuen que, una vegada, el seu professor de física li va donar un llibre de text de nivell universitari i el va enviar, junt amb un parell de companys més, llestos com ell, a una altra habitació al darrere de l’edifici, dient-los que aprenguessin pel seu compte. Va continuar sobresortint al MIT, on va obtenir la llicenciatura, un màster i el doctorat en física. Prometia molt quan, a començaments de la dècada dels 1970, va deixar Cambridge i posà rumb a Princeton amb un contracte d'investigador postdoctoral per tres anys. Però, cap al final de la dècada, es va trobar que havia ja recorregut tota la trajectòria possible de postdoctorals arreu del seu país: tres anys a la Universitat de Princeton, tres més a la de Columbia, dos a Cornell i un any a Stanford, sense haver pogut encara aconseguir un tenure-track. Això als EUA significa ser a la vora del fracàs més absolut, tot i que aquestes són algunes de les millors universitats americanes. Si no et contracten de debò a temps, en aquell país quedes fora del sistema i has de buscar-te una altra cosa per sobreviure. Explica el mateix Guth que li va demanar a un teòric de Cornell que li escrivís una recomanació per a una plaça de professor assistent, i aquest li va respondre honestament que, en el millor dels casos, la carta que li podria escriure seria “amable però vaga” (és a dir, molt poc efectiva). Perquè, en correspondència amb els seus múltiples interessos científics, Guth havia tocat en aquells anys massa temes diversos, i el que necessitava desesperadament, arribat aquell moment, era un resultat espectacular en alguna línia concreta, la que fos!

Una “realització espectacular”

Corria l'any 1979 i era a l'Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), quan tot de cop se li va ocórrer una “REALITZACIÓ ESPECTACULAR” sobre l'Univers (Fig. 1). Part del problema tenia a veure amb la seva àrea principal de recerca: la física de partícules. Tot va anar com segueix. Durant els darrers anys havia passat molt de temps resolent problemes matemàtics abstractes, relacionats amb la teoria de les partícules elementals; però, uns mesos enrere, quan era a Cornell, Henry Tye, un company postdoctoral com ell, se li havia acostat amb una pregunta desconcertant sobre l'Univers primitiu. A Guth el va intrigar i es va posar a buscar-li una resposta, encara que aquell no fos el seu camp. “Jo en sabia molt poc sobre cosmologia”, recorda Tye, “però l’Alan, en aquells dies, en sabia encara menys”. 

D'acord amb el relat de Guth, Robert Dicke, professor de Princeton, va passar per Cornell per donar un seminari. I resulta que Tye va arribar tan tard que els únics seients disponibles eren a la part de darrere, on amb prou feines va poder escoltar el conferenciant. Guth, en canvi, havia arribat molt d'hora, i va aconseguir un bon seient. Com sempre solia fer, va poder prendre extenses notes. I aquella nit, a casa, va escriure una entrada al seu bloc de notes sobre la xerrada: “fascinant”. Dicke havia parlat sobre el “problema de la planitud” a la teoria del big-bang: Com que l'Univers s'ha estat expandint durant prop de 14 mil milions d'anys, petitíssimes variacions en el seu inici s’haurien d'haver exagerat molt a hores d'ara, amb un efecte desastrós. Dicke havia fet notar que, per tal que el nostre Univers es vegi com es veu avui, un segon després del big-bang l'ajust necessari hauria d'haver estat increïble, de 15 xifres decimals una rere de l’altra, això és, en l'interval entre 0,999999999999999 i 1,000000000000001. I resulta que la teoria del big-bang no oferia absolutament cap explicació sobre com aquest ajust es podria haver produït, amb aquesta extraordinària precisió. Era una bogeria suposar que es tractava només d’una pura coincidència. 

Un segon seminari, aquesta vegada del físic de Harvard, i futur premi Nobel, Steven Weinberg, va acabar de convèncer Guth que allà hi havia un tema de reflexió importantíssim: la primera fracció infinitesimal del primer segon de l'Univers. I encara tenia sobre la taula l’altra intrigant pregunta que el seu amic Tye li havia fet, sobre si en les anomenades teories de gran unificació es produirien (o no) monopols magnètics. Treballant junts i després de donar-hi força voltes, Guth i Tye van concloure que sí, que a l'Univers primitiu hi hauria hagut d'haver una munió de monopols magnètics, dels quals avui no se n'observa ni un de sol. Guth es trobava ja a Stanford quan ell i Tye van intentar, per fi, donar forma final a la seva feina d'aquells mesos per tal de publicar-la. Fou aleshores quan van descobrir, amb horror, que un altre investigador, John Preskill, se'ls havia avançat. Això era fatal! Aclaparats per la necessitat de publicar com fos, van proposar-se completar el treball trobant una solució al problema dels monopols; cosa que no aconseguirien fer fins un any més tard, com després veurem. En aquells moments Guth estava ja albirant l’horrorós precipici: es quedaria irremissiblement sense feina l'any següent. S’hauria de buscar una altra cosa per viure i mantenir la família.

Segons explicà ell mateix, amb molt de detall, la inspiració li va arribar cap a la una de la matinada del dia 7 de desembre de 1979, mentre la seva dona Susan i el seu fill Larry [3], de dos anys, dormien a l’habitació del costat. L'endemà al matí, després d'arribar pedalant a tota velocitat en la seva bicicleta a la feina, i un cop va haver fet de manera frenètica alguns càlculs numèrics més, relacionats amb la increïble intuïció que havia tingut durant la nit anterior, va escriure per fi en el seu quadern de notes, en lletres ben grans “REALITZACIÓ ESPECTACULAR”, traçant un doble requadre al voltant d'aquestes paraules (Fig. 1).

guth_figura1.jpg

Fig. 1 Pàgina corresponent al 7 de desembre de 1979 del famós quadern d’Alan Guth, on va escriure la seva “realització espectacular”. / Foto: Alan Guth i Adler Planetarium and Astronomy Museum de Chicago (ús just)

Fou més tard que la va batejar com a inflació còsmica: una expansió exponencial de l'Univers en una fracció infinitesimal del seu primer segon d'existència. Tot seguit va trucar a Tye a Cornell i li va dir, amb entusiasme, que acabava de trobar un model que resolia no només el seu problema comú, el dels monopols, sinó també el problema de la planitud que els havia explicat Dicke, dos importantíssims problemes tot d’una! El mateix Tye va reconèixer més tard que: “Quan Alan em va dir que havia resolt el problema de la planitud, jo no tenia ni idea del que estava parlant”. Guth li va preguntar si li feia res que seguís treballant tot sol en aquella idea nova que se li havia ocorregut, ja que l’apressava una necessitat imperiosa de publicar. I Tye li va donar permís per fer-ho, perdent així, de patac, l’oportunitat més gran de la seva vida.

Unes setmanes més tard, a Stanford, durant el dinar, Guth va sentir uns col·legues que parlaven sobre un altre problema de cosmologia del qual ell no sabia res: el “problema de l'horitzó”, la incapacitat del model del big-bang per explicar l'actual homogeneïtat i igualtat de temperatura que s’observa, amb gran precisió, en llocs molt distants de l'Univers. Fent alguns càlculs més en el seu quadern, es va posar content com un nen petit en descobrir que el seu model inflacionari podia resoldre també aquest nou problema, amb tanta elegància com els altres. Això ja era increïble! 

El 23 de gener de 1980, un mes i escaig després de la seva "revelació nocturna", Guth va fer públic per primer cop el seu model, en un seminari que va donar a SLAC. Entre els assistents hi havia Sidney Coleman, prestigiós físic de Harvard que es trobava allà de sabàtic. En acabar, va felicitar Guth en aquests termes: “Cada paraula que vostè ha dit era or pur”. El genial Coleman havia copsat immediatament l'extraordinari recorregut de la proposta de Guth. La solució trobada per aquest implicava un període molt curt però molt ràpid de sobrerefredament durant una transició de fase retardada, que produïa un “fals buit”, un estat inestable en el temps de la més petita densitat d'energia possible. Com a resultat de l'efecte túnel quàntic, el fals buit es descomponia eventualment en un veritable buit de baixa energia. I Guth havia descobert que la descomposició del fals buit a l'inici de l'Univers podria produir resultats molt sorprenents, entre els quals hi havia una expansió exponencial de l’Univers mateix, això és, la inflació còsmica, que resolia de cop i volta tots i cada un dels greus problemes esmentats (Fig. 2).

guth_figura3.jpg

Fig. 2 Cronologia de l’Univers. Representació de la seva evolució al llarg de 13.780 milions d’anys. A l’extrem esquerre es representa el primer moment que podem explorar, aquell en què un període d’inflació còsmica va produir una expansió de l’espaitemps de creixement exponencial. Durant els següents mil milions d’anys, l’expansió es va anar alentint gradualment, per efecte de la gravetat de la matèria de l’Univers creada per la inflació mateixa. Però, més recentment, l'expansió ha començat a accelerar-se de nou a mesura que els efectes repulsius de l'energia fosca han dominat l'expansió del cosmos. La radiació còsmica de fons (CMB) detectada per WMAP es va emetre 378.000 anys després de la inflació i ha recorregut l’univers des de llavors. Això fa possible desxifrar-ne ara la història, per les empremtes que les vicissituds d’èpoques passades han deixat en aquesta llum, i també constitueix un contrallum de fons per als desenvolupaments posteriors de l'Univers. / Imatge: Equip científic NASA/WMAP (domini públic)

I de sobte la vida de Guth va donar un tomb

Va ser així com, l'endemà, Guth tenia ja sobre la taula un parell d'ofertes de treball, i un munt d’invitacions per portar el seu seminari als principals campus del país. En els mesos posteriors va rebre ofertes de Harvard, de Princeton i de mitja dotzena més de prestigioses universitats. Però el seu somni era retornar a la seva llar intel·lectual, el MIT, on resulta que no hi havia, en aquells moments, cap oferiment de feina per al departament de física. Després de fer la seva gira de seminaris i abans d'acceptar cap de les seves nombroses ofertes, vencent per una vegada la seva manifesta timidesa, Guth agafà el telèfon per trucar a algú que coneixia al MIT fent-li saber que, si el MIT podia trobar-li un lloc, ell l’acceptaria immediatament. L'endemà, li van tornar la trucada oferint-li, no ja un lloc de professor assistent, que era el que Guth havia gosat esperar, sinó un de professor associat amb opció a càtedra (que pocs anys després assoliria, el 1986). El seu periple s’havia acabat, i d’una manera que mai no hauria pogut ni somiar tres mesos abans. Encara que no així la seva proposta de teoria, la qual va haver de modificar bastant aviat.

Després d'acceptar l'oferta del MIT per unir-se a la facultat, a la tardor del 1980, va seguir a Stanford treballant en els detalls del seu model inflacionari. Al juny va descobrir que una peça del model, la corresponent al problema de l'horitzó, no funcionava del tot bé i, de nou, va sentir per uns moments un gran buit a l'estómac. Encara que li va alleujar molt, segons confessà més tard, pensar que “almenys ja havia aconseguit feina al MIT!”. 

Durant algun temps fou incapaç de trobar la manera de treure l'Univers de l'etapa d'inflació, perquè així es poguessin formar posteriorment les estrelles i galàxies, el que s’anomena el problema de la “sortida elegant” (“graceful exit”); i per un moment va considerar que la seva teoria podia ser un complet fracàs. Però, després de llegir, a finals de 1981, una publicació preliminar del físic rus Andrei Linde (que havia estat treballant en el mateix problema de manera independent) i un altre treball d'Andreas Albrecht i Paul Steinhardt sobre el problema de la sortida elegant, va començar a intercanviar publicacions preliminars [4] amb aquests col·legues i es van anar ajudant mútuament fins que arribaren a una formulació final de la teoria de la inflació. Des de llavors hi ha hagut encara molts altres refinaments i revisions, partint del model original de Guth i introduint-hi a més idees noves. Tan sols per enumerar-les necessitaria un munt de pàgines, que aquí no tinc.

Alan Guth segueix al MIT, on he coincidit amb ell en diverses ocasions i he assistit a les seves brillants lliçons i seminaris. Ha rebut un munt de premis i distincions, inclosa la Medalla del Centre Internacional de Física Teòrica i la Medalla Eddington. El seu llibre de 1998, L'Univers inflacionari: la recerca d'una nova teoria dels orígens còsmics, es va convertir en un gran èxit de vendes. 

Afegiré una anècdota, que està molt documentada a internet. L'any 2014 Guth va ser durant un parell de mesos un ferm candidat al premi Nobel de física. Feia ja "olor" de Nobel, i fins i tot va haver-hi celebracions amb xampany de les quals circulen unes quantes imatges. L’experiment BICEP2 al pol sud va creure haver detectat empremtes de la inflació còsmica—el veritable big-bang de l'Univers, com acostumo a explicar [1]— en la polarització del senyal del fons de microones (CMB). Sovint dic a les meves presentacions que Guth va tenir, per uns dies, més de mig Nobel a la butxaca. Però una reanàlisi de les dades va descobrir que el senyal observat era compatible amb la polarització causada per la pols còsmica; per la qual cosa, d'acord amb el principi d'Occam, el resultat fou desestimat. Això no vol dir que aquest sigui fals!, però així funciona la física: fins que no es torni a comprovar amb claredat meridiana que és significatiu, que no es deu a la pols còsmica —distingint clarament el senyal del soroll de fons—, no hi haurà evidència. Sobre aquesta interessantíssima història, es pot accedir a un recent col·loqui, molt sucós, amb el mateix Brian Keating, l’investigador principal del projecte BICEP2 [5]. 

guth_figura2.jpg

El president Barack Obama saluda quatre dels nou guardonats amb el premi Kavli 2014 i representants de la Fundació Kavli i altres convidats a l’oficina oval, el 31 de juliol de 2014. Els guardonats van ser seleccionats per les seves contribucions fonamentals a la teoria de la inflació còsmica, a la recerca dels límits de resolució de la microscòpia òptica, i al descobriment de xarxes cerebrals específiques per a la memòria i la cognició. Alan Guth és el del mig, amb les mans a les butxaques. / Foto oficial de la Casa Blanca de Pete Souza (Domini públic)

Un Univers d’energia zero

I on queda, a propòsit d'això, el principi de conservació de l'energia? Segons la teoria de la relativitat general d'Einstein, l'energia del camp gravitatori és negativa, mentre que l'energia material és positiva. I la pressió de l’espaitemps hi contribueix també en peu d’igualtat [1]. Llavors, tot l'escenari de creació de l'Univers podria desenvolupar-se, en principi, sense trencar les lleis de conservació. L'energia positiva de tota la matèria que hi ha a l'Univers podria ser exactament contrarestada per l'energia negativa de tota la gravetat de l'Univers. Això no és nou: és repetir altre cop el que ja està explicat en el famós llibre de R.C. Tolman de 1934 [6].

Però resulta que avui aquella possibilitat és ja molt més que una simple teoria. Les dades de les observacions astronòmiques dels satèl·lits COBE, WMAP i PLANCK han estat cada vegada més consistents amb aquesta idea. A partir d'aquestes, els càlculs de tota la matèria i de tota la gravetat de l'Univers observable indiquen que els dos valors es contraresten amb sorprenent precisió (del 4 o 5%): tota la matèria més tota la gravetat sumen zero. En conseqüència, l'Univers podria provenir del (quasi-)no-res perquè és, essencialment, no-res, en termes de balanç energètic, d’acord amb la teoria de la relativitat general.

En paraules del mateix Guth, en una de les seves conferències:

“És fantàstic veure que les lleis de la física poden descriure com es va crear tot en una fluctuació quàntica aleatòria del no-res, i com en el transcurs de 14 mil milions d'anys, la matèria hauria pogut organitzar-se en formes tan complexes com les que tenim els éssers humans aquí asseguts, parlant i fent coses, de vegades meravelloses, intencionalment”.

La teoria de la inflació també prediu les pertorbacions de densitat: petites oscil·lacions del cosmos que fan de llavors per a la formació posterior de les galàxies, tal com les observem ara. I això és just el que la teoria de la inflació suggereix que hauria d'haver succeït. Així i tot, les coses no han d'estar tan clares quan, avui dia, s'han proposat tantes formes d'inflació diferents: les inflacions doble, triple i híbrida, l'híbrida modificada, l’hiperestesa, les inflacions càlida, suau, tèbia, natural..., la inflació ha deixat de ser una teoria per esdevenir un paradigma, o una idea genèrica, que respecta els trets essencials de la brillant proposta original de Guth. La mateixa constatació de l'acceleració en l'expansió de l'Univers sembla confirmar el “miracle de la física núm. 1” de Guth: la "gravetat" pot actuar de manera repulsiva (pressió negativa [1]). De fet, el mateix tipus de força repulsiva que originalment va impulsar la inflació, impulsa ara, molt probablement, l'acceleració actual de l'Univers. Atès que massa i energia són equivalents, aquesta energia repulsiva també ha de gravitar, i si n’hi hagués suficient, preservaria l'equilibri de massa-gravetat original requerit per fer pla l'Univers, com ja he avançat. Tot això en concordança amb la teoria de la inflació còsmica. 

Podem resumir-ho dient que, tot i no haver aconseguit encara tenir proves directes i definitives de la inflació, els indicis acumulats indiquen, sense cap mena de dubte, que s'està en el bon camí. Si no és una inflació tal com la que descriuen els diversos models que hi ha sobre la taula, alguna cosa bastant semblant a aquesta va haver d'ocórrer, poc després de l'inici del temps, perquè l'Univers pugui ser tal com avui el veiem (Fig. 3). Però, quin és el model d'inflació correcte, o si més no, el millor de tots?

guth_figura4.jpg

Fig. 3 Cronologia de l’Univers corresponent al model de big-bang de matèria fosca freda amb constant cosmològica lambda. Comença amb la inflació còsmica i segueix més endavant amb l’expansió accelerada de l’Univers, que ara observem. / Imatge: Coldcreation, 2010 (Creative Commons A-S A 3.0).

La inflació R2 o inflació de Starobinsky

Entre les múltiples teories d'inflació, n’hi ha una segona de molt important. Cronològicament va ser fins i tot la primera a aparèixer, abans que la de Guth; encara que no va ser reconeguda com a tal fins molt més endavant. No esmentaré aquí, en canvi, altres propostes que hi va haver, algunes simultànies, o fins i tot una mica anteriors, a la de Guth. Cap d'aquestes, però, pot competir (ni tan sols la que tractaré ara) en propòsit, claredat, plantejament i definició d'objectius amb la de Guth.
He parlat extensament en altres posts de l'extraordinària bellesa i utilitat de la relativitat general d'Einstein, i hem pogut comprovar que tota la cosmologia moderna es recolza en aquesta teoria. No obstant això, sabem perfectament que aquesta no és la teoria final, que no pot ser-ho de cap manera perquè no incorpora els efectes quàntics, per tal de tractar les escales més petites de l’Univers, les quals es posen de manifest a energies molt grans. Quantitzar la gravetat ha demostrat ser una tasca impossible, almenys fins ara, però no així la d’intentar apedaçar una mica la relativitat general afegint-hi correccions quàntiques

Els físics de l'escola russa, al voltant del gran Yakov Zeldovich, van ser els primers a iniciar un programa d'aquest tipus, en els anys 1970. Van treballar en teories de creació de partícules per efectes quàntics a l'Univers primitiu i al voltant de forats negres. El mateix Hawking reconegué que, durant una visita que va fer a la Unió Soviètica l’any 1973, hi va treure la inspiració que el portà a construir la seva famosa teoria de la radiació quàntica dels forats negres

Alexei Starobinsky (1948) [7], un dels diversos estudiants de Zeldovich, va observar que les correccions quàntiques esmentades conduïen a termes de segon ordre en la curvatura, R2, i el desembre del 1979 publicà un treball sobre l'espectre de la radiació gravitatòria primordial, a la revista russa Pisma Zh. Eksp. Teoria. Fiz. (traduït en el Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters). En un altre treball del 1980 va demostrar que aquestes correccions quàntiques podien ser fins i tot capaces d'eliminar la singularitat inicial de l'Univers, present a la relativitat general.

No va ser, però, fins anys més tard, un cop ben coneguda i acceptada la teoria d'inflació de Guth, que es va observar que les teories amb correccions quàntiques de tipus R2 (o amb altres termes d'ordre superior en R) donaven també origen a inflació còsmica, diferent en alguns aspectes de la de Guth, però inflació, al cap i a la fi. I és així com, fet i fet, i en haver estat publicat el treball de Starobinsky una mica abans que el de Guth, que aquest es va convertir a posteriori en la primera teoria inflacionària. Starobinsky no havia tingut cap intenció de resoldre els problemes abans esmentats del model del big-bang, els seus objectius eren altres de ben diferents; però, sense pretendre-ho ni saber-ho llavors, va construir de fet el primer model d'inflació, abans que ningú. 

guth_figura5.jpg

L’observatori espacial SPHEREx és una missió de la NASA, seleccionada el 2019, que explorarà l’origen de l’Univers, l’origen i la història de les galàxies i l’origen de l’aigua als sistemes planetaris. / Imatge: Recreació del Jet Propulsion Laboratory, NASA (Domini públic)

La inflació més natural, a hores d’ara

Encara que no és solament aquest aspecte, purament anecdòtic si voleu, el que ha fet que el seu sigui un model tan important a hores d’ara; sinó precisament el sentit físic, tan fonamental, que va donar origen al seu model: els termes afegits són correccions quàntiques a la gravetat clàssica que necessàriament han de ser-hi! Termes d'aquest tipus apareixen, com era d'esperar, en les teories fonamentals de debò, com ara la de cordes o la teoria de loops, que són capaces en principi de quantitzar la gravetat. Per això bastants especialistes opinen ara que la inflació R2 és la millor, la més fonamentada i "natural" possible.

BIBLIOGRAFIA

1.    E. Elizalde, “Cosmología moderna: desde sus orígenes”, Ed. Catarata, 2020, ISBN 978-84-1352-125-1.
2.    Entrevista el 28/02/21 al program A noite é necesaria (Radiovoz): Cosmoloxia Moderna, conversa con Emilio Elizalde (en castellà).
3.    Larry va ser company del meu fill gran, Sergi, mentre tots dos eren estudiants de doctorat al Departament de Matemàtiques del MIT, a començaments del present mil·lenni. 
4.    Vegeu l’assaig de l’autor: E. Elizalde, “On how the Ciberspace arose to fulfill theoretical physicists’ needs and eventually changed the World: Personal recallings and a practitioner's perspective”, a J. Martín Ramírez i Luis A. García-Segura Eds., Cyberspace: Risks and Benefits for Society, Security and Development (Springer Verlag, Berlín, 2017), p. 3-22. 
5.    Brian Keating’s Quest for the Origin of the Universe, The Joy of X, podcast by Steven Strogatz.
6.    R.C. Tolman, Relativity, Thermodynamics, and Cosmology (Oxford University Press, Oxford, UK, 1934).
7.    Starobinsky ha estat a primera fila en unes quantes de les meves presentacions, al llarg dels anys i arreu del planeta. I vull agrair-li des d'aquí els seus comentaris, tantes vegades elogiosos i sempre, sense excepció, constructius.
 

Contacta amb Divulcat