El problema de l'horitzó i la inflació còsmica

Entenem per radiació còsmica aquella energia que es va produir en el moment del Big Bang, i que des d’aquell moment impregna tota zona de l’univers, atorgant-li d’aquesta manera una determinada temperatura.

L’existència de la radiació de fons fou una de les prediccions de la teoria del Big Bang. Quan aquest fet es va descobrir experimentalment, la teoria de la gran explosió va incrementar en credibilitat, i es va posicionar com la que millor explica l’origen del nostre cosmos. Des de la seva formulació, la teoria del Big Bang s’ha bifurcat i ha cooperat en el que es coneix com la inflació estàndard, la qual ofereix una idea molt aproximada a com l’univers s’ha expandit des del moment de l’explosió. No obstant, la inflació estàndard va demostrar a finals dels anys 70 no ser aquella teoria que tots creien com a perfecta i precisa.

El “problema de l’horitzó”

Estudis detallats sobre la radiació còsmica de fons han demostrat que, independentment de la direcció del cel en la qual s’orienti l’antena de mesures de radiació, la temperatura d’aquesta radiació sempre és la mateixa. Això significa que qualsevol zona de l’univers presenta la mateixa influència de radiació de fons. Aquest fet suposa que si al nostre univers no hi hagués cap font de calor o radiació (forats negres, quàsars, estrelles, etc.), la temperatura en aquest seria la mateixa, indiferentment d’on es mesurés. Els científics van pensar sobre aquest fet i es van preguntar perquè zones tan llunyanes de l’univers presentaven unes temperatures tan similars. A aquest enigma el van batejar amb el nom de "problema de l’horitzó".

La inflació estàndard no ofereix resposta

Una solució aparentment natural és considerar que dues regions que en l’actualitat es troben molt separades, en un principi, com dues partícules que provenen de la mateixa font, es trobaven molt a prop. Si això fos cert, en el moment de més proximitat entre aquestes regions (i totes les altres) s’hi hauria donat l’intercanvi d’informació que confirmaria la uniformitat de la radiació. Posat que sorgiren d’un punt en comú, no seria estrany que compartissin característiques físiques com la temperatura. No obstant, la inflació còsmica estàndard, i la que llavors es coneixia com a solament inflació còsmica, no corroborava aquesta idea. Veiem perquè.

El refredament d’un plat de sopa

Un plat de sopa exposat a la intempèrie es refreda gradualment fins a arribar a la temperatura ambient. D’aquesta manera, la sopa està igual de calenta o igual de freda que l’aire de l’exterior. No obstant, si aquesta sopa és posada des d’un principi en un Termo, conservarà la temperatura posterior de la seva cuina, i per tant, ja no establirà relació d’uniformitat amb l’aire exterior, fent que no es refredi. Aquest fet es déu a que les parets del Termo aïllen la sopa de l’aire extern.

Per tant, establim que

La homogeneïtat de temperatura entre dos cossos o dos sistemes depèn de que mantinguin una comunicació constant i prolongada

Constant i prolongada fan referència a la proximitat i al temps, respectivament. Per tant, acabem aclarint aquest concepte establint que, per a què dues regions de l’univers presentin la mateixa quantitat de radiació, hi ha hagut d’haver una prèvia comunicació entre les dues, que ha requerit temps i proximitat entre elles.

Tornant a la inflació estàndard

Per tant, el què cal fer ara és buscar dins de la inflació estàndard un moment posterior al Big Bang en el qual hi hagués la suficient proximitat i el suficient temps entre dues regions per a què aquestes poguessin compartir informació. Com que cap tipus de comunicació pot anar més ràpid que la velocitat de la llum, s’ha de trobar un instant posterior a la explosió en que la regió X i la regió Y poguessin compartir informació sense ser bruscament separades. No obstant, no hi cap moment en la inflació estàndard en que es poguessin donar aquestes condicions. Fins i tot, quan la regió X i la Y van estar tan sols separades per 30 centímetres de distància, la inflació va ser tan brusca, que no va donar temps a que la informació pogués viatjar aquests 30 centímetres, i així amb qualsevol distància. Això significa que la inflació còsmica estàndard no permet l’existència de cap intercanvi en cap moment d’informació entre regions considerablement separades. Per tant, la inflació estàndard es presenta incompatible amb la solució al problema de l’horitzó, al no permetre la comunicació.

L’any 1979, el físic Alan Guth va escriure el capítol que li faltava a la inflació còsmica estàndard.

Inflació còsmica estàndard incompleta: La solució d’Alan Guth

El problema de l’horitzó queda resolt en el precís moment en què la inflació cosmològica estàndard passa a anomenar-se inflació cosmològica. Però, abans d’això, va haver de succeir un fet que canviés la mentalitat dels científics, totalment respecte al inflament de l’univers.

Gran inflació

Els professors Alan Guth, Andrei Linde, Paul Steinhardt i Andreas Albercht, van incloure l’any 1979 un moment de gran inflació al model cosmològic estàndard. Aquesta gran expansió de l’univers es produí al voltant del segon 10^-36 i 10^-34 (un 0, una coma, i més de 30 zeros amb un 1 al final) i explica el perquè de l’actual homogeneïtat de l’univers.

Es veu que durant aquest brevíssim període de temps (molt més curt que un parpelleig), l’univers va incrementar de mida 10^30 vegades (un 1 amb 30 zeros), comparat amb 100, aproximadament, que és el factor vigent durant el mateix interval de temps en el model estàndard. Abans d’aquesta expansió, la matèria que es troba que actualment repartida en extenses regions de l’espai va estar reunida en un espai molt més petit que l’espai que indica el model cosmològic estàndard, fent d’aquesta manera que s’establís fàcilment una temperatura comú.

És així com la breu, però profunda modificació del model cosmològic d’inflació, resol el problema de l’horitzó.