El caso de un universo pequeño

El universo es grande, como diría Douglas Adams.

La luz más distante que podemos ver es la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB), que ha tardado más de 13 mil millones de años en llegar hasta nosotros. Esto marca el borde del universo observable, y si bien se podría pensar que esto significa que el universo tiene 26 mil millones de años luz de diámetro, gracias a la expansión cósmica ahora está más cerca de los 46 mil millones de años luz. En cualquier caso, esto es jodidamente genial. Pero la mayoría de los cosmólogos creen que el universo es mucho más grande que nuestro ángulo observable. Lo que podemos ver es una pequeña parte de una creación inimaginablemente vasta, si no infinita. Sin embargo, un nuevo artículo publicado en arXiv El servidor de preimpresión afirma que el universo observable es prácticamente todo lo que existe.

En otras palabras, a escala cósmica, el universo es bastante pequeño.

Hay varias razones por las que los cosmólogos piensan que el universo es grande. Uno es la distribución de los cúmulos de galaxias. Si el universo no se extendiera más allá de lo que vemos, las galaxias más distantes sentirían una atracción gravitacional hacia nuestra región del cosmos, pero no lejos de nosotros, lo que llevaría a agrupaciones asimétricas. Porque las galaxias se agrupan más o menos en la misma escala en todo el universo visible. En otras palabras, el universo observable es homogéneo e isotrópico.

Un segundo punto es que el espacio-tiempo es plano. Si el espacio-tiempo no fuera plano, nuestra visión de las galaxias distantes se distorsionaría, haciéndolas parecer mucho más grandes o más pequeñas de lo que realmente son. Las galaxias distantes parecen ligeramente más grandes debido a la expansión cósmica, pero no de una manera que implique una curvatura general del espacio-tiempo. Según los límites de nuestras observaciones, la planitud del cosmos implica que es al menos 400 veces más grande que el universo observable.

Luego está el hecho de que el fondo cósmico de microondas es casi un cuerpo negro perfecto. Hay pequeñas fluctuaciones en su temperatura, pero es mucho más uniforme de lo que debería ser. Para explicar esto, los astrónomos han propuesto un período de enorme expansión poco después del Big Bang, conocido como inflación cósmica inicial. No hemos observado ninguna evidencia directa de esto, pero el modelo resuelve tantos problemas cosmológicos que es ampliamente aceptado. Si el modelo es exacto, el universo es del orden de 10²⁶ veces más grande que el universo observable.

Entonces, dada toda esta evidencia teórica y observacional, ¿cómo podría alguien argumentar que el universo es pequeño? Tiene que ver con la teoría de cuerdas y los pantanos.

Aunque la teoría de cuerdas a menudo se presenta como una teoría física, en realidad es una colección de métodos matemáticos. Puede usarse para desarrollar modelos físicos complejos, pero también puede ser simplemente matemáticas por las matemáticas. Uno de los problemas al conectar las matemáticas de la teoría de cuerdas con los modelos físicos es que los efectos sólo se verían en las situaciones más extremas y no tenemos suficientes datos de observación para descartar varios modelos. Sin embargo, algunos modelos de teoría de cuerdas parecen mucho más prometedores que otros. Por ejemplo, algunos modelos son compatibles con la gravedad cuántica y otros no. Muy a menudo los teóricos definen un “pantano” de teorías que no son prometedoras.

Cuando se separan las tierras teóricas prometedoras del pantano, lo que queda son teorías en las que la inflación cósmica temprana no es una opción. La mayoría de los modelos de la teoría inflacionaria de cuerdas se basan en pantanos. Esto lleva a la pregunta de si es posible construir un modelo cosmológico que coincida con la observación sin una inflación temprana. Lo que nos lleva a este nuevo estudio.

Una forma de sortear la inflación cósmica inicial es observar estructuras de dimensiones superiores. La relatividad general clásica se basa en cuatro dimensiones físicas, tres de espacio y una de tiempo, o 3+1. Matemáticamente se podría imaginar un universo 3+2 o 4+1, donde la estructura global pueda incorporarse a una estructura 3+1 real. Este es un enfoque común en la teoría de cuerdas ya que no se limita a la estructura estándar de la relatividad general.

Los autores demuestran que, en las condiciones adecuadas, se podría construir una estructura de dimensiones superiores dentro de la teoría de cuerdas que coincida con la observación y evite los pantanos. Según sus modelos de juguete, el universo puede ser sólo cien o mil veces más grande que el universo observado. Sigue siendo grande, pero decididamente pequeña en comparación con los primeros modelos de inflación.

Todo esto es bastante especulativo, pero en cierto modo también lo es la inflación cósmica temprana. Si la inflación cósmica inicial fuera cierta, deberíamos poder observar sus efectos a través de ondas gravitacionales en un futuro bastante cercano. Si eso falla, podría valer la pena echar un vistazo más de cerca a los modelos de la teoría de cuerdas que nos mantienen fuera del pantano teórico.