Un univers inflacionari

Feia temps que em rondava pel cap. I no em decidia per manca de temps, i, si us sóc sincer, per mandra.

La cosa és que una de les preguntes (de divisió avançada) que rebo en algunes conferències és sobre el Big Bang i, en especial, sobre una de les modificacions més impactants que han completat aquest model. L'anomenada inflació.

Ara us comentaré això de la mandra i la manca de temps. Però abans deixeu-me que us expliqui què és la inflació i el perquè el model del Big Bang la necessita.

Us convido, per tant, a acompanyar-me en un recorregut cap als primers instants de l'univers, que passa, abans, per a remuntar-nos curiosament fins a començaments del segle XX.

Els científics del segle passat majoritàriament creien que l'univers era estàtic, és a dir, que ni s'expandia ni es contreia. Era el corrent de pensament ortodox, i en aquells moments no hi havia res que fes sospitar el contrari. El mateix Einstein ho creia.

Vet aquí que aquest geni va crear la teoria de la relativitat general, un relat extraordinari de com funciona la gravetat i l'univers a gran escala. Les fórmules que va derivar li deien, li cridaven, que l'univers no ho podia ser d'estàtic. Que era dinàmic. Però ell no se les va creure (a les seves fórmules!), de forma que les va modificar artificialment per a fer que donessin, com a resultat, un cosmos feliçment estàtic.

Varen ser altres els que, emprant les fórmules de l'alemany, varen defensar un univers en expansió. Entre ells, un clergue belga, de nom George Lemaître.

Eren els rebels. Els que lluitaven contra l'ordre establert. Deien que si l'espai ara s'expandia, rebobinant el temps un podria arribar a un moment zero. A un inici.

Tot això passava durant les 2 primeres dècades del segle XX. I cap a finals dels anys 20, l'astrònom americà Edwin Hubble comprovava, experimentalment, que l'univers efectivament s'expandia. Era la confirmació que els rebels tenien raó, i Einstein havia d'admetre el seu error (un error genial, la veritat: haver parit un instrument matemàtic que et deia coses tan inesperades que ni ell s'ho podia creure!)

Hubble va notar com (quasi) totes les galàxies que observava s'allunyaven de nosaltres. I també va observar que, com més allunyada estava una galàxia, més ràpid s'allunyava! Era el model perfecte del globus que s'infla.

Si tu bufes un globus, sobre el qual has dibuixat petits cercles de color, veuràs com tots els cercles s'allunyen de tots. I també notaràs que, si et situes mentalment sobre una de les galàxies, observaràs que les demés s'allunyen de tu quan s'infla el globus. S'allunyen a més velocitat com més lluny estan dibuixats.

Aquell descobriment va significar un triomf per al model del Big Bang. Però no tots estaven encara convençuts.

El gran astrofísic britànic Sir Fred Hoyle no hi estava d'acord. Ell seguia defensant un model estàtic i etern del cosmos. I va ser ell, qui, en un programa de ràdio de la BBC allà pels anys 30 del segle passat, va voler mofar-se del model rebel, i el va anomenar despectivament "Big Bang", la gran explosió.

Ves per on, Hoyle li va fer una enorme operació de marketing al nou model cosmològic, ja que li va inventar un nom que, de seguida, va calar i que ha perdurat fins ara.

El segon gran triomf del Big Bang va arribar l'any 1965. Dos físics americans estaven provant una antena de comunicacions prop de New Jersey, quan varen notar una molesta interferència que rebien del cel. Primer varen pensar que era provocada per la ciutat, però la cosa és que la seguien rebent apuntessin on apuntessin. Aquella interferència era, a més, extraordinàriament homogènia: des de punts allunyats del cel arriba pràcticament la mateixa radiació a la mateixa temperatura.

No es va trigar gaire en relacionar aquesta descoberta totalment casual amb el model del Big Bang. Els cosmòlegs havien predit que, poc després del moment zero de l'univers (uns 380.000 anys després), s'hauria alliberat una radiació, una llum d'altíssima energia que ompliria l'espai i que, degut a l'expansió de l'univers, s'hauria refredat extraordinàriament i ens arribaria avui en forma de vulgars i fredes microones.

Els cosmòlegs varen saltar d'alegria. Allà al davant tenien la confirmació de la predicció. I els 2 físics, en Penzias i en Wilson, també varen saltar d'alegria, ja que els va caure un Nobel del cel.

Per si el model no en tingués prou amb això, poc a poc els astrofísics varen anar quadrant, un a un, els fets que s'observen a l'univers amb el model del Big Bang. Fins i tot, la mateixa composició del cosmos era perfectament predita pel nou model. Extraordinari (a pesar de tot, Fred Hoyle va morir sense mai acceptar-ho).

Les fórmules matemàtiques, provinents de la relativitat general, que explicaven el Big Bang es van convertir en una eina fantàstica. Unes fórmules amb les que un podia jugar a simular universos, que s'expandien per sempre, o que s'acabaven col·lapsant. Fórmules que semblaven explicar a la perfecció el nostre univers.

Però la perfecció cotitza molt cara. I no es va trigar en admetre que hi havia alguna qüestió de detall que el Big Bang no acabava de resoldre. I allò resultava força molest.

Una de les pegues que es va identificar va ser la que rep el nom del problema de l'horitzó.

I diu així.

En cosmologia, diem horitzó (de partícula) a la regió de l'espai que conté tots els objectes que han tingut temps de fer-nos arribar la seva llum des de l'inici de l'univers. En altres paraules, actualment el nostre horitzó equivaldria al que anomenem univers observable. Una immensa regió del cosmos, a la que vulgarment ens referim com a ... univers.

Si us sembla complicat, no abandoneu si us plau l'article. És més senzill del que sembla.

Com sabeu, la llum viatja a una velocitat constant. És un ritme enorme, prop de 300.000 km a cada segon. Però tot i ser gegantina, aquesta velocitat és finita. I per obligació triga molt de temps en poder creuar les grans extensions del cosmos.

Imagina't per un moment que l'univers de debò és molt, però molt més gran que el que nosaltres anomenem univers. Les galàxies que es trobin molt lluny ens seran invisibles, simplement perquè la seva llum encara no ens haurà arribat. Haurà estat viatjant a tota pastilla (a la velocitat de la llum) cap a nosaltres, però en els 13.800 milions d'anys de vida que li calculem a l'univers encara no ens haurà arribat. Direm que aquesta galàxia és fora del nostre horitzó, fora de la nostra possibilitat d'observació.

La importància de l'horitzó de partícula és enorme, i no simplement per una qüestió observacional.

Si dues partícules es volen posar d'acord i presentar la mateixa temperatura, és obligat que quelcom les comuniqui i que transfereixi energia (calor) d'una a l'altra fins a equilibrar-les. I no hi pot haver un "quelcom" més veloç que la llum.

Això vol dir que un pot arribar-se a creure que tot allò que és dins l'horitzó de partícula pugui assolir, aproximadament, la mateixa temperatura. Simplement perquè la llum ha tingut temps de viatjar i posar en contacte els objectes dins l'horitzó (aquesta és, precisament, la definició d'horitzó).

Però una cosa és creure's això, i una altra, ben diferent, és creure's que objectes que es trobin més allunyats entre si que els seus respectius horitzons hagin pogut establir uniformitat tèrmica. Com ho han pogut fer, si ni la llum ha tingut temps de posar-los en contacte i equilibrar temperatures?

I aquí és on apareix el problema de l'horitzó. Resulta que quan un observa la radiació que van detectar en Penzias i en Wilson, anomenada radiació còsmica de microones, veu que és extraordinàriament homogènia. Fins i tot quan apunta els instruments a 2 punts del cel diametralment oposats, a la dreta i a l'esquerra. I la decepció és gran... perquè és fàcil adonar-se que aquests 2 punts mai no han tingut temps de posar-se en contacte!

No abandonis encara. Aguanta una mica més, que la cosa s'anirà concretant (espero).

Tornem un moment a la definició d'horitzó de partícula. Ens podríem imaginar que som al centre i que estem rodejats per una gran esfera que conté tot l'univers que és observable per nosaltres. El radi d'aquesta esfera seria... l'horitzó de partícula. Quadra oi? Dèiem que l'horitzó marcava el límit de l'univers observable.

Doncs bé, si contemplem 2 punts de l'espai que estan sobre el límit d'aquesta esfera, és IMPOSSIBLE que durant la història de l'univers hagin pogut intercanviar informació, llum. Simplement perquè els separen actualment 2 radis de la nostra esfera, és a dir, 2 horitzons.

Molt bé. I què hi ha amb què puguem jugar, observar, i que es trobi en el llindar, en el límit de l'esfera? Doncs la radiació còsmica de microones! Es va alliberar 380.000 anys després del Big Bang, i per tant podem considerar, com a magnífica aproximació, com si s'hagués creat en el mateix moment zero (ja que l'univers té 13,8 mil milions d'anys d'edat, i 380.000 anys, comparats amb això, no són absolutament res!).

Observar la radiació còsmica de microones equival, molt aproximadament, a observar quasi el mateix Big Bang. De fet, és la llum més antiga que podem captar.

Ara és fàcil veure el que deia abans: com és que 2 punts del cel, diametralment oposats, ens envien radiació còsmica de microones tan brutalment homogènia? Què ha fet que tots els punts de l'espai, mirem cap a on mirem, estiguin a la mateixa temperatura si la llum no els ha pogut comunicar?

Una possible resposta al problema de l'horitzó és pensar que l'univers ja va néixer en equilibri tèrmic. És a dir, que no ha calgut cap llum que transporti energia, que comuniqui. Que tot va aparèixer a la mateixa temperatura.

Això, però, és com molt poc elegant, ja que imposa una condició d'inici forçada. Per què hauria d'haver estat així? La natura no té cap obligació de simplificar les coses per als cosmòlegs, oi?

Una altra possible explicació seria que el model del Big Bang falla estrepitosament. Que la relativitat general no funciona com esperàvem, i que les fórmules que emprem per a descriure tot el que acabo d'explicar no són correctes.

Un podria tenir la temptació de pensar això, especialment si al problema de l'horitzó hi suma 2 nous problemes que amoïnaven als científics creadors del model del Big Bang. Un d'ells té a veure amb les observacions que ens mostren un univers extraordinàriament pla (cura amb el que entenem per pla! Ens estem referint a que en el nostre univers sembla funcionar la geometria que hem après de petits, i que anomenem Euclidiana, segons la qual, per exemple, els angles d'un triangle sumen 180 graus).

Per què és pla? És una probabilitat contra ... infinites! Si l'univers és realment pla (encara ens queda una diminuta incertesa al respecte), la natura s'hi ha esforçat de debò! Perquè li hagués estat molt més senzill construir un cosmos corbat. Tan corbat com hagués volgut, poc o molt. Infinites possibilitats contra una sola, contra només un univers pla, que no admet variacions. O ets perfectament pla, o no ho ets i ets corbat.

L'altra problema és el dels monopols. Va, va... que ja acabem aquesta part. Aguanta!

El model del Big Bang i la nostra física prediuen que poc després del moment zero es devien formar monopols, que vindrien a ser objectes meitat d'un imant. Els nostres imants, tots els que coneixem a la natura, tenen 2 pols. Encara és hora que descobrim un imant amb només un pol, això sembla no existir. Però, com deia, la física prediu que han d'existir, i molts, i que es van formar en el Big Bang. On dimonis són?

3 grans problemes, doncs. El de l'horitzó, el de l'univers pla, i el de l'absència de monopols. Tirem ja el Big Bang a la brossa? No tan ràpid.

Si vols descartar el model, i la relativitat general, ho tens fotut. Has de ser capaç de construir un model que proporcioni un relat de l'univers tan increïblement perfecte com ho fa el Big Bang.

Per aquest motiu, alguns astrofísics fa temps varen pensar que existia una altra possibilitat. Una que passava per completar, per modificar, el model del Big Bang, pensant en un procés que hauria tingut lloc poc després del moment zero i que resoldria alhora els 3 problemes comentats. La inflació.

Us he dit, al començament d'aquest article, que m'havia fet mandra. Ja veieu una mica perquè. És, segurament, l'article més llarg i complex que he escrit en el bloc. Un bloc divulgatiu, en què sempre he intentat que les coses fossin senzilles (no sé si sempre ho hauré aconseguit). Però quan un se'n va al naixement del cosmos, de senzill, senzill, res (de nou, per què la natura hauria d'haver creat un relat senzill només per facilitar-me a mi explicar-lo?)

Deixeu que us digui que, des de petit, sempre m'ha pogut la via experimental. Aquesta és la raó per la qual, tot i fascinar-me l'univers, vaig fer Química en primer lloc. Aquesta és una ciència bàsicament experimentalment, amb la que un pot fer i desfer. Pot mesclar, remenar i comprovar. És clar que ràpidament em vaig passar a la Quàntica... on justament un no pot ni mesclar, ni remenar ni a penes comprovar res. No sé, no sé què em va passar, la veritat.

Bé, la cosa és que també amb això de la inflació, i especialment pel que fa al problema de l'horitzó, volia experimentar. Volia emprar jo mateix les fórmules que es deriven de la relativitat general, l'anomenada equació de Friedmann, i comprovar numèricament tot el que us he estat explicant. Comprovar la magnitud de la tragèdia, com de gran és el problema del Big Bang original.

Mandra un altre cop. Havia de treure temps, i ganes. I tornar a consultar llibres de cosmologia, plens de formuletes, d'aquelles que quan les veus tens ganes de passar pàgina... només per descobrir amb horror que la següent està encara més farcida que la que acabes d'abandonar.

Total, que ho he fet. He estat com unes 3 setmanes, i he acabat precisament avui.

I sí. Puc donar fe que el problema de l'horitzó existeix, i que la inflació, que ara us explico, ho resol.

Els meus càlculs, en els que he hagut d'aplicar moltes aproximacions, jugant amb un model d'univers simplificat, de fireta, indiquen que punts separats a l'espai per més d'uns 2 graus no poden tenir radiació còsmica de microones tan homogènia com rebem. Pensa-hi: 2 graus... no són res! (és l'equivalent a 4 llunes, una al costat de l'altre, en el nostre firmament). És, per tant, increïble que puguem estar rebent la radiació de fons idèntica de qualsevol lloc del cel!

Com ho resol, tot això, la inflació?

El model inflacionari explica que molt poc després del moment zero, l'univers va patir una expansió exponencial, brutal, durant una minúscula fracció de temps. Un cop acabada aquesta fase inflacionària, l'univers ja es va seguir expandint normalment, al ritme del model del Big Bang.

Anem a veure com funciona la inflació i com resol els problemes.

T'aviso, però, que les xifres són... inimaginables. Agafa't bé, que venen corbes. Però si has aguantat fins aquí, ara ja no ho pots deixar, eh?

Després d'una bilionèsima de bilionèsima de bilionèsima de segon del moment zero (t'he avisat!) va començar la inflació, i va durar 100 bilionèsimes de bilionèsimes de bilionèsimes de segon (com ho portes?). Durant aquest temps increïblement curt, l'univers es va expandir al menys 10 bilions de bilions de cops! (ho sé, ho sé, a mi també em mareja)

Espera, però, que ara ho veuràs amb xifres que he fet.

Recorda que no sabem com de gran és l'univers, només podem intuir la dimensió del nostre univers observable, la "petita" regió del cosmos que agrupa totes les galàxies que formen el que anomenem "univers".

Doncs aquesta regió, el que ara és el nostre univers observable, va créixer, amb la inflació, des d'una mida subatòmica a quelcom tan gran com un autocar! En només, recorda, 100 bilionèsimes de bilionèsimes de bilionèsimes de segon.

Com t'has quedat? Mola, oi? Tot l'univers observable, milers de milions de galàxies, comprimit en un autocar, i abans en una boleta molt, molt més petita que un àtom.

Felicitats! Ara és quan ja pots agafar aire i relaxar-te, perquè ja hem fet el més difícil. Ara ja ve costa avall. 

Després de la inflació, segueix el Big Bang normal, amb l'avorrida expansió de tota la vida, que ha fet que, durant 13,8 mil milions d'anys, aquest autocar creixi fins a ser el nostre univers observable, una esfera d'uns 40.000 milions d'anys llum de radi!

I què fa la inflació respecte els problemes que tenia el model bàsic del Big Bang?

L'expansió exponencial, tan brutal, de la inflació el que va fer és empènyer cap a fora de l'horitzó de partícula pràcticament tot el que hi havia en aquell moment. Ho represento a la figura següent:

Et recordo que el que hi havia dins de l'horitzó de partícula estava connectat, comunicat per la llum, i, per tant, podria haver assolit l'equilibri tèrmic. Quan s'atura la inflació, han quedat fora de l'horitzó partícules que abans havien estat dins. Quan, al llarg de la història de l'univers, aquest es va anar expandint xino-xano alhora que creixia l'horitzó de partícula (perquè la llum havia tingut més temps per recórrer les distàncies), hi va haver punts que tornaren a entrar dins el nostre horitzó, però que ja havien estat dins abans de la inflació. I és per això que, quan els observem ara, en el mateix llindar de l'esfera de l'univers observable, els veiem en equilibri. Simplement perquè ja ho havien estat abans del període inflacionari.

Així és com la inflació resol el problema de l'horitzó.

També resol el de l'univers pla. És senzill entendre-ho. Imagina't, de nou, un globus. Quan l'infles, i l'infles encara més, si et fixes en una minúscula zona de la goma, de la superfície de globus, veuràs que és pràcticament plana. També ho pots pensar de la Terra! Tu dibuixes un triangle en un paper, sumes els angles, i obtens 180 graus. I dedueixes que la Terra és plana! Error! Ets sobre una esfera enorme, de quasi 6.400 km de radi. Però és tan gran, comparada amb el full de paper on estàs dibuixant, que la curvatura del planeta no es nota, i et sembla que vius en un món pla.

El gegantí creixement que provoca la inflació aplana l'espai proper a nosaltres. Converteix un espai que no calia que en fos, de pla, en un cosmos observable quasi perfectament pla.

I el problema dels monopols? També fàcil. Se'n van crear moltíssims a l'inici de l'univers, però, de nou, l'expansió de la inflació els ha diluït extraordinàriament, de forma que, fent números, un obté que és molt probable que no n'hi hagi cap ni un dins el nostre univers observable! Res estrany, doncs, en què mai n'haguem detectat cap!

Es diu que el model inflacionari se li va ocórrer a un astrofísic britànic, de nom Allan Guth, quan anava en bicicleta. Devia ser el seu moment d'eureka, de la poma de Newton. Però el cert és que han estat molts els científics que han treballat sobre aquesta hipòtesi, que refina el model del Big Bang, i que, més que mai, converteix aquest model en una roca solidíssima, capaç d'explicar-nos el que veiem allà fora. Capaç de relatar-nos, segon a segon, la història del cosmos. La nostra història.

Segueixes aquí? Espero que sí. Jo acabo ara d'escriure tot això d'una tongada. M'ha costat unes 2 hores i una coca-cola (és la meva dosi de cafeïna, ja que no prenc cafè), i he agafat forces per a redactar-ho després de la xerrada que he fet a noies i nois de segon de batxillerat de l'escola Frederic Mistral de Barcelona.

Només desitjo que a tu no t'hagi costat un mal de cap. Ben al contrari, voldria que t'hagués fet venir preguntes al cervell. Detalls que no has vist clars i que necessites pensar 2 o 3 vegades més. Si t'ha passat això, anem bé, perquè tot el que sigui donar-li tombs al Big Bang significa meravellar-se amb l'increïble pla de la natura, i els immensos esforços dels humils humans per apropar-se a l'enteniment del cosmos.

Ai, si Galileu i Newton ho veiessin, això de la inflació!