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viernes, 25 de abril de 2014

Círculos en Barrio Sésamo y otras psicodelias


Joyas de la animación, montajes hipnóticos y visualización musical. Las obras de los compositores minimalistas, con sus patrones repetitivos y cíclicos, se combina perfectamente con los montajes visuales que se acoplan a estos patrones, por lo que sus composiciones se han utilizado en muchas obras audiovisuales vanguardistas e innovadoras.

En esta entrada voy a repasar alguna de la fantásticas combinaciones audiovisuales realizadas con música de Philip Glass, el más prolífico e interpretado de los compositores minimalistas. Aunque ya conocía algunas de ellas, he encontrado otras que me han sorprendido y muchas de ellas son realmente alucinantes.

No os las perdáis.

Animación clásica


¿Quién hubiera pensado que Barrio Sésamo iba a estar en la vanguardia musical con sus didácticas animaciones para explicar conceptos a los niños? En 1979 Philip Glass compuso una serie de piezas breves para explicar la geometría del círculo, resultando en unas animaciones que resultan maravillosas en su simplicidad y claridad, y que han sido mostradas numerosas veces en el programa. Este vídeo las muestra unidas en una secuencia.



Glass ha participado en numerosos experimentos teatrales y cinematográficos. En 1982 estrenó The Photographer, una ópera de cámara que se apoyaba en montajes audiovisuales para contar la historia del juicio realizado al famoso pionero de la fotografía en movimiento, Edward Muybridge, que mató al amante de su mujer.

De casualidad vi por aquel entonces en televisión una de aquellas 'primitivas' animaciones, realizadas cuando aún no existía la técnica de animación por ordenador, y he podido encontrarla muchos años después. Aunque la calidad del video no es muy buena, resulta hipnótica acompañada de la música rítmica de Glass. 


Aquí podemos ver la misma pieza con el montaje utilizado en la ópera para contar la historia del asesinato:



El artista Keith Hawkins creó esta divertida animación políticamente incorrecta para la pieza "Company" de Glass:



A mediados de los 90, Glass colaboró con el pionero de la música electrónica Richard D. James, conocido como Aphex Twin, para crear esta pieza de ricas y oscuras texturas sonoras y visuales.



Montajes psicodélicos


La combinación de la música de Philip Glass con la innovación fotográfica y de montaje de Godfrey Reggio dio lugar a un interesante experimento cinematográfico producido por Francis Coppola. Aunque estos montajes con tiempo acelerado de ciudades, nubes y otros temas han sido copiados hasta la saciedad, aún resulta impactante ver el original, la fantástica Koyaanisqtsi, Life Out of Balance. El Philip Glass Ensemble aún la representa frecuentemente en sus giras por el mundo, con proyección simultánea de la película.

A continuación podéis ver dos segmentos de The Grid, quizás la parte más conocida. En este otro vídeo podéis ver la película completa acelerada hasta una duración de tan solo cinco minutos, también con música de Glass, aunque si podéis os recomiendo verla a la velocidad normal  :-)




Una de las bandas sonoras más conseguidas y emotivas de Glass es la que realizó para la película Las Horas. Estos dos montajes utilizan la misma pieza de este bello trabajo, "The poet acts":





Como veremos en otra entrada, Philip Glass también ha creado interesantísimas canciones. Para una de ellas, "Streets of Berlin", Glass compuso música en 1997 a partir de la letra de Martin Sherman y fue interpretada originalmente por Mick Jagger en la película "Bent", vestido de mujer (el vídeo no tiene desperdicio).

El siguiendo vídeo es una reinterpretación 'tecno-disco' de la pieza:



Para no limitarnos a Glass, he incluido aquí otra pieza maestra de Michael Nyman. No sé qué tienen estas piezas largas de Nyman, que me gustan más cuanto más las oigo, aunque al principio cueste un poco 'pillarlas'. En esta ocasión además tuve la suerte de poder ver a la Michael Nyman Band interpretarla en directo en Burjassot y fue toda una experiencia.

La pieza en cuestión es una banda sonora compuesta para un montaje documental experimental realizado en 1929 por el pionero checo Dziga Vértov, "El Hombre de la Cámara" (Man with a Movie Camera), que muestra la vida en una ciudad soviética de la época. La mezcla de las antiguas imágenes con la música rítmica y a ratos intimista de Nyman resulta fascinante. 

Un vídeo en YouTube no es comparable al impacto de la Michael Nyman Band tocando en directo sobre la proyección, pero os tendréis que conformar de momento con eso...


Ordenadores musicales


La llegada de la animación por ordenador dio nuevas herramientas a los creadores que gustan de interpretar gráficamente la música de Philip Glass. Aquí va una muestra de alucinantes trabajos que he descubierto gracias a YouTube.

La primera es un montaje que parece algo así como un campo de fuerza generado desde esferas móviles, basado en otro segmento de Koyaanisqatsi, "Cloudscape" (paisaje de nubes):



El album "Rework: Philip Glass remixed" es un experimento realizado por varios autores de música dance que han compuesto e interpretado versiones de piezas de Glass. Este vídeo presenta la reinterpretación de "Protest", una de las canciones más bonitas de la ópera Satyagraha, con una visualización 3D que recuerda a las del Windows Media Player, pero... bueno, mejor.



En 1986 Glass compuso un album de canciones llamado "Songs for Liquid Days", en el que intervienen letristas y cantantes pop de renombre. Esta pieza se llama "Freezing", con letra de Suzanne Vega y cantada por Linda Ronstadt. La sorprendente animación fractal ha sido realizada por Eric Bigas.



En 1984 se estrenó la opera Akenatón, en la que Philip Glass retrata el breve reinado del faraón asesinado por su intento de reforma religiosa y política. Los dos videos siguientes están realizados con el iTunes Visualizer, y la verdad es que me he quedado alucinado de lo que puede llegar a generar este programa.

La primera pieza de la ópera es el "Funeral de Amenhotep III" (genial combinación rítmica de percusión, cuerdas, voces...):



Y esta otra, llamada "Window of Appearances", con un bonito dueto entre Akenatón y Nefertiti, parece representar las trece esferas Zarayan de mi novela La Ciudad de las Esferas  :-)




Y con estas meditativas y alucinatorias experiencias, os dejo hasta la próxima,

     Salvador



jueves, 17 de abril de 2014

Impulso para viajar a las estrellas


 Tanto la Agencia Espacial Europea como la NASA están oficialmente pensando en una misión tripulada a Marte para la década del 2030. Sin embargo, estas posibles misiones espaciales están aún muy lejos del sueño de viajar a otro sistema solar como Alfa Centauri, donde se encuentra el exoplaneta conocido más cercano a nosotros.

Una nave que pudiera llevarnos hasta las estrellas en tiempo razonable tendría que ser masiva y montarse directamente en el espacio, seguramente con materiales extraídos de asteroides y de la misma Luna, pues el coste de llevarlos desde la superficie terrestre sería demasiado grande a menos que dispusiéramos de un ascensor espacial.



Si consiguiéramos dotar a una nave así de una aceleración suficiente y sostenida en el tiempo, podríamos llegar en pocos años a otros sistemas solares gracias al fenómeno de la dilatación temporal, como muestra el siguiente video:


Aunque todavía parezca un sueño lejano, desde hace décadas ha habido proyectos para definir cómo podría funcionar una nave de este tipo. Comentaremos más abajo algunos proyectos históricos. Actualmente existe la iniciativa de la Nave Estelar en 100 años, que pretende conseguir esta tecnología antes de un siglo.

Propulsión Newtoniana


Todos los sistemas actuales de propulsión espacial se basan en la Tercera Ley de Newton o ley de acción-reacción. Debido a la conservación del momento (producto de la masa por la velocidad), cuando un cohete expulsa a gran velocidad los gases u otro material de propulsión el cuerpo del cohete se mueve en dirección opuesta.


Este interesante documental describe cómo a partir de este sencillo principio se produjo históricamente el desarrollo de los cohetes espaciales:


La ventaja de los motores cohetes convencionales es que consiguen una gran potencia, pero a costa de consumir una cantidad enorme de combustible. Como el cohete debe llevar consigo estos materiales propelentes (oxígeno e hidrógeno líquido, por ejemplo) su peso aumenta muchísimo, y por tanto requiere todavía más combustible para acelerar su masa.

Un sistema alternativo ya utilizado en algunas sondas espaciales consiste en acelerar pequeñas cantidades de materia a una velocidad muy alta. La materia que permite la propulsión puede ser iones o plasma (átomos con carga eléctrica) acelerados por poderosos cambios electromagnéticos alimentados por un sistema de combustible nuclear.



Estos sistemas tienen la ventaja de gastar poco material propelente, pero requieren una fuente de energía muy potente para conseguir aceleraciones significativas. En realidad no serían útiles para viajes interestelares tripulados. Sí son están utilizados con gran éxito por algunas sondas espaciales como Deep Space 1 y la misión Dawn que operan en nuestro sistema solar:


Una fuerte de energía poderosa que también necesitaría poca cantidad de combustible sería la de los motores de fusión nuclear, o incluso mejor todavía, los motores de antimateria. Su mayor problema es que requerirían llevar cuidadosamente aislada esta peligrosa sustancia que se aniquila con la materia ordinaria para generar una gran cantidad de energía. Este aislamiento podría conseguirse mediante la combinación de electrones y su antipartícula el positrón para formar el más estable positronio.

Además, tendríamos que producir con antelación toda la antimateria necesaria para el viaje, fabricándola en alguna instalación donde dispusiéramos de las poderosas fuentes de energía que hacen falta para ello.


En el siguiente vídeo se muestra un hipotético viaje de seis años utilizando un motor de antimateria hasta la luna Pandora (que aparece en Avatar), suponiéndola situada en el sistema de Alfa Centauri:


El primer proyecto serio para imaginar una tecnología práctica para el viaje interestelar fue el proyecto Orion, un concepto desarrollado en los años 50 que fue cancelado cuando se prohibieron las pruebas nucleares en el espacio. En los años 70 se volvió a considerar la idea (en versión no tripulada) en el proyecto Daedalus, y en los 80 la NASA lo estudió de nuevo con el proyecto LongShot, una nave que hubiera tardado 100 años en llegar a Alpha Centauri.

Este es un diseño para el proyecto Daedalus:



Todos estos proyectos se basan en la idea de utilizar explosiones nucleares de fisión (bombas atómicas) como sistema de propulsión, lo cual puede parecer una locura pero por el momento sería una de las tecnologías más prácticas para conseguir la potencia necesaria para un viaje de larga distancia.

Sistemas sin combustible

El problema de muchos de estos sistemas de propulsión es la necesidad de llevar y reponer combustible y fuentes de energía para los largos viajes.

Una alternativa es el uso de grandes velas impulsadas por la radiación solar o por lásers apuntados desde la Luna u otro cuerpo celeste. Estos sistemas pueden ser formas efectivas de propulsión en el sistema solar interior, pero no son útiles para el viaje interestelar, ya que la efectividad de la radiación solar o el impulso láser se pierde con la distancia.



Aún así, son usadas por el mismísimo Conde Dooku  :-)


Y la NASA ha realizado pruebas reales para su despliegue en el espacio:


Este mismo año 2014 está previsto el lanzamiento de la misión Sunjammer, que probará de forma efectiva la utilidad de una vela solar para diferentes misiones dentro del sistema (gracias a Fran por la referencia, ver su comentario debajo de la entrada).

Una idea a priori muy interesante para el viaje interestelar es la del ramjet propuesto en los 60 por el físico Robert Bussard. Esta nave generaría grandes campos magnéticos que le permitirían recoger el hidrógeno disponible en el espacio interestelar, para ser utilizado como combustible.



Aquí tenemos al maestro Carl Sagan describiendo las naves Orion y Ramjet en la serie Cosmos original:


Desafortunadamente, parece que la cantidad de hidrógeno en el espacio interestelar podría no ser suficiente para el funcionamiento práctico del Ramjet, y la intensidad de los campos magnéticos insuficiente cuando se alcanzaran grandes velocidades.

Una idea más moderna para la propulsión sin combustible mezcla ideas de la relatividad y la cuántica para ir más allá de la ley de acción-reacción (de hecho, los escépticos afirman que es imposible porque violaría esta ley, la de conservación del momento lineal). El propulsor electromagnéticoEM-drive usa un sistema de microondas que interactúan con el vacío cuántico. Se encuentra actualmente en fase de comprobación experimental y de confirmarse sus principios supondría una verdadera revolución en la propulsión espacial.



Propulsión 'relativista'


A los escritores de ciencia ficción y soñadores de todos los pelajes no les han detenido nunca las limitaciones de la tecnología actual, ni siquiera el límite para la velocidad impuesto por la Teoría de la Relatividad.


Según nuestro conocimiento actual, es imposible movernos por el espacio más rápido que la luz, y además sabemos que cuanto más aumenta la velocidad de una nave también lo hace su masa (tendiendo a ser infinita cuando nos acercamos a la velocidad de la luz). Por tanto se hace progresivamente más costoso impulsar una nave a medida que su velocidad aumenta.



Por ello las ideas sobre métodos de propulsión o viaje alternativos, como los promovidos por NASA en su programa de innovaciones físicas para la propulsión, se basan en manipular el propio espacio-tiempo basándose en el principio de la Relatividad General según el cual la forma del propio espacio-tiempo está relacionada con la gravedad, por efecto de la masa-energía.

Se ha comprobado que la presencia de una masa, y por tanto de una fuerza gravitatoria, corresponde a una curvatura del espacio-tiempo. En ese sentido decimos que un planeta crea un 'pozo de gravedad', y que un agujero negro sería como un 'pozo sin fondo'.




Hemos visto ya que esta deformación podría llevar a la creación de agujeros de gusano que comunicaran con 'túneles' diferentes lugares del espacio-tiempo. Sin embargo los agujeros serían muy difíciles de generar y controlar, y estarían ligados a grandes instalaciones en el espacio, a las cuales habría que viajar por medios convencionales.


Los agujeros de gusano no nos ofrecerían la libertad de viajar a donde quisiéramos, sino dentro de una red de transporte costosa de construir.


Una variante de esta idea es el tubo de Krasnikov, una especie de agujero de gusano que actúa como atajo solamente en la dimensión tiempo. La nave tendría que recorrer la distancia de forma convencional en el espacio, pero dejaría un tubo abierto que le permitiría regresar en el mismo instante de su salida.


Según los análisis teóricos, para estabilizar un agujero de gusano sería necesario disponer de masa o energía negativa. Como hemos visto en la entrada anterior, la teoría de la inflación para el Big Bang se basa precisamente en este concepto: es posible que el espacio incluya una fuerza interna de repulsión que le hace expandirse, rápida o lentamente según las condiciones. Esta energía oscura o energía negativa funciona como una gravedad negativa, curvando el espacio tiempo en forma inversa a la gravedad atractiva ordinaria.


Basándose en esta idea, el físico Robert L. Forward (también un reconocido autor de ciencia-ficción hard) propuso en los años 70 el motor diametral (diametrical drive), que básicamente utilizaría una combinación de masas negativa y positiva para mover la nave.


La más elaborada y popular de estas posibilidades ha sido desarrollada por el físico mejicano Miguel Alcubierre quien utiliza el concepto de energía negativa para crear una 'ola' en el espacio-tiempo como combinación de presiones negativa y positiva en una burbuja de espacio alrededor de la nave. Este 'motor' permitiría en principio el viaje a velocidades mayores que la luz, puesto que lo que se desplazaría sería el espacio-tiempo mismo, arrastrando consigo la nave.

Además de aproximarse bastante al motor 'warp' utilizado por las naves de la serie Star Trek para el viaje más rápido que la luz, la idea de Alcubierre ha sido tomada tan en serio como para merecer un programa de investigación por parte de NASA.




El mismo Alcubierre explica en detalle los fundamentos de su motor en esta excelente conferencia (ver a partir del minuto 37):


Y aquí podéis ver algunos conceptos tipo Star Trek desarrollados a partir de ideas de la NASA.


Otro posible mecanismo para viajar más rápido que la luz sería convirtiendo la nave en taquiones, hipotéticas partículas de masa imaginaria que viajarían a velocidad supralumínica. Sin embargo, además de que nadie tiene idea de cómo podría realizarse esta conversión, está la dificultad de que los taquiones viajan hacia atrás en el tiempo, lo que crearía las típicas paradojas del viaje al pasado. La mayoría de los físicos piensan que esta idea está lejos de ser factible ni siquiera teóricamente.


Para terminar, estos dos vídeos nos ofrecen un resumen de los problemas y posibilidades consideradas para el viaje interestelar:



Aunque lo cierto es que alguno de estos hipotéticos medios de propulsión ha sido ya utilizado en la realidad. Por los OVNIS que nos han visitado, claro   :-)



Por supuesto, nada de esto es un problema en los universos imaginarios de la ciencia-ficción. En la siguiente imagen (pinchar para verla en grande) podéis ver un muestrario de las mayores naves imaginadas en películas, series y videojuegos, que utilizan fantásticos medios de propulsión para surcar la galaxia:


Y si os preguntáis cuál de ellas sería la más rápida y qué tiempo necesitaría para alcanzar diferentes destinos espaciales, aquí tenéis esta divertida aplicación.


http://www.slate.com/articles/arts/map_of_the_week/2013/05/star_trek_enterprise_vs_star_wars_millennium_falcon_which_ship_is_fastest.html


En cualquier caso, conseguir un avance significativo en los sistemas de propulsión útiles para el viaje interestelar va a requerir descifrar los mecanismos cuánticos de la gravedad y la energía oscura.

¡Feliz propulsión!

    Salvador



sábado, 5 de abril de 2014

Inflando globos cósmicos


Universo inflacionario para principiantes


 Hace pocos días se anunció la confirmación experimental, por parte del telescopio de microondas BICEP2 localizado en el Polo Sur, de una predicción clave del modelo inflacionario del Big Bang, demostrando una vez más que la física es capaz de predecir y de confirmarse mediante fenómenos nunca antes observados.


Aquí tenéis la conferencia de prensa completa del anuncio.


Otros ejemplos clásicos de nuevos fenómenos que sirvieron para confirmar teorías revolucionarias fueron la desviación de la luz de las estrellas -Teoría de la Relatividad-, el fondo de radiación de microondas en el universo -Teoría del Big Bang- y la aparición del bosón de Higgs -Teorías de Gran Unificación-.

En esta entrada intentaré explicar el significado y la importancia de las teorías inflacionarias del universo, así como algunas interesante posibilidades que abren respecto a la existencia de múltiples universos. Seguiré un guión similar al de este genial mini-comic:



La teoría del Big Bang


A partir de las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein se vio que eran posibles varios modelos cosmológicos para explicar la evolución del espacio-tiempo a gran escala. La siguiente gráfica resume las opciones (muestran en el eje vertical el tamaño del universo respecto al tiempo en el eje horizontal):


Algunas teorías (como la el propio Einstein) proponían un universo estacionario que no cambiaba de tamaño, mientras que otras pensaban en un universo de expansión acelerada (De Sitter), o de ciclos de expansión y contracción.

Sin embargo las observaciones del movimiento de las galaxias y quásares (núcleos activos de galaxias muy lejanas) permitió comprobar que el universo se había estado expandiendo al menos desde la formación de las galaxias.

Aunque hubo otras teorías rivales para explicar la expansión, como la Teoría del Estado Estacionario de Fred Hoyle (que suponía que la apariencia del universo siempre ha sido la misma en cualquier tamaño), el descubrimiento accidental del Fondo de Radiación de Microondas en 1965 permitió comprobar una de las predicciones de la Teoría de la Gran Explosión (Big Bang) como explicación de la expansión.

La siguiente fotografía muestra a Penzias y Wilson junto a la antena de microondas que captó el fondo de radiación (al principio pensaron que el 'ruido' estaba causado por unas palomas que habían anidado en el acogedor hueco de la antena):


Según la teoría del Big Bang, toda la materia y energía del universo habría estado concentrada inicialmente en un espacio infinitesimal, con una enorme densidad y temperatura, de donde las diferentes formas de materia, fuerzas y estructuras como átomos, galaxias, estrellas y planetas habían evolucionado al ir reduciéndose la temperatura con la expansión.


La expansión del universo es una expansión del espacio-tiempo mismo (al menos en las 4 dimensiones que conocemos), y por tanto muy diferente a las explosiones que experimentamos en nuestra vida cotidiana. Por ello se suele comparar con la expansión de la superficie de un globo (el espacio-tiempo) en el cual se encuentra la materia y energía del universo conocido.



El fondo de radiación de microondas, que se observa mirando en cualquier dirección desde la Tierra, es un residuo del momento en que la temperatura descendió lo suficiente como para que los electrones se pusieran a orbitar los núcleos y se formaran átomos (proceso de recombinación), permitiendo a la luz viajar libremente por el espacio. Esta luz, producida 300.000 años después del inicio de la expansión, tendría ahora según los cálculos de la teoría una temperatura de 3 grados Kelvin, que fue exactamente la observada. Se probó así que la imagen evolutiva del Big Bang era la correcta.




Los cabos sueltos del Big Bang


Sin embargo, la teoría original del Big Bang era insuficiente para explicar algunas características observables del universo. Por un lado la densidad y temperatura de todo el espacio observable es increíblemente homogénea, lo cual tenía una difícil justificación, mientras que por otra parte existen estructuras a gran escala que no podrían haberse formado si el universo hubiera sido totalmente homogéneo en sus inicios.

La teoría de la inflación fue desarrollada por Alan Guth en 1981 para completar la visión del Big Bang, solucionando estos cabos sueltos y otros como la predicción no observada de monopolos magnéticos.

La paradoja del equilibrio térmico universal

Un primer problema que se planteó al Big Bang fue explicar cómo era posible que todo el universo tuviera una temperatura tan similar (homogeneidad que era ya visible en el fondo de radiación). Al estar el universo en continua expansión, no sería posible que las diferentes zonas del espacio pudieran intercambiar radiación entre sí para compensar sus temperaturas.

Este excelente y sencillo vídeo del programa Redes lo explica muy claro:




Las arrugas del espacio-tiempo

A pesar de la gran homogeneidad de temperatura, al observar el universo a grandes distancias vemos que su estructura es irregular, la materia no se distribuye de forma uniforme, sino que forma algo parecido a un fractal. Las galaxias se agrupan en grandes cúmulos y megacúmulos que forman como una red o estructura esponjosa en la que las áreas rellenas se entremezclan con grandes espacios casi vacíos.

Esta estructura ha sido confirmada por los datos de mediciones reales, como se observa en estas imágenes y vídeo:




Para saber cómo se pudieron haber formado estas estructuras se han realizado simulaciones masivas, como la Simulación del Milenio con 10 billones de partículas. Estas simulaciones han concluido que para que se pudieran formar esta red de filamentos era necesario que en el universo inicial hubiera fluctuaciones de densidad y temperatura, tales como las que son visibles en el fondo de radiación de microondas.

Los siguientes vídeos se han realizado con los datos de las simulaciones:



El problema para la Teoría del Big Bang era que no proponía ningún mecanismo capaz de generar estas fluctuaciones. Si el universo se había expandido de manera suave y continua, ¿qué había producido las diferencias de densidad y temperatura entre unas zonas y otras?

Veremos que la teoría de la inflación propone un mecanismo que explicaría la estructura a gran escala del universo. Un buen libro para comprender el problema y la solución es éste:



¿Por qué se expande el universo? ¿De dónde salió?

Además de los problemas 'técnicos' de la teoría original del Big Bang, estaba claro que era una explicación incompleta desde el momento en que no proporcionaba un mecanismo que diera el impulso que necesitaba la expansión del universo.


Tampoco la teoría clásica del Big Bang decía nada sobre cómo pudo llegarse a ese estado inicial en el que toda la materia y energía, y nuestro espacio-tiempo, estaban concentrados en un tamaño tan pequeño.



La solución de la inflación


El modelo inflacionario del universo temprano se basa en la idea de que hubo una expansión rapidísima durante un período muy corto en su comienzo. De ahí el nombre 'inflación': el universo se infló a una velocidad vertiginosa, exponencial, pasando de tener el tamaño de un protón al de un balón en una pequeñísima fracción de segundo.


Podéis encontrar una muy buena explicación en su contexto histórico en este artículo de John Gribbin, y otras explicaciones más técnicas en esta página y ésta otra, ambas de CalTech.


Para entender la inflación debemos recordar que a medida que nos acercamos al instante inicial de la expansión, tenemos una mayor densidad de energía, o equivalentemente, una mayor temperatura. Al aumentar la energía las fuerzas de la naturaleza se van unificando progresivamente, hasta que al llegar a un tiempo de 10 elevado a -43 (un segundo dividido por la potencia 43 de 10), infinitesimalmente pequeño, todas las fuerzas incluida la gravedad y todas las formas de materia estarían unificadas en un caos cuántico indiferenciado. Este tiempo se llama tiempo de Planck y no podemos decir nada con sentido para momentos anteriores, pues el principio de incertidumbre cuántico impide que el espacio-tiempo pueda tener una estructura más pequeña.


La inflación sucedería a partir de este estado primigenio indiferenciado, dominado por las fluctuaciones cuánticas de un vacío con una increíble densidad de energía, las mismas fluctuaciones que gracias a la indeterminación de Heisenberg permiten la aparición y destrucción continua de partículas, como vimos al hablar del origen de las fuerzas.




¿Pero cómo y por qué se produjo esa rapidísima expansión? Quizás la forma más sencilla de entenderlo sea aplicar el concepto de cambio de fase o cambio de estado de la materia al propio vacío cuántico del espacio-tiempo. 


Pensemos en la congelación del agua para formar hielo. El enfriarse el agua hasta los cero grados, las moléculas se mueven más lentamente y ello permite que actúen las fuerzas de enlace de hidrógeno entre ellas, creando una estructura cristalina donde antes había solamente una masa desorganizada. El cambio de estructura de la materia distribuye las moléculas en un espacio ligeramente mayor, lo que hace que el hielo se expanda (como comprobamos cuando dejamos una botella llena en el congelador, ay).


¿Qué sucedería si enfriáramos el agua por debajo de cero grados pero no permitiéramos su expansión? En ese caso el agua estaría en un estado metaestable, sin poder solidificarse (al no disponer de espacio para la nueva estructura), produciendo de forma continua una presión para expandirse, y pasando al estado estable sólido en cuando dispusiera del espacio necesario.

La teoría de la inflación supone que el vacío del espacio pasó por un cambio de fase similar debido al enfriamiento local en un punto de un espacio-tiempo más amplio, posiblemente causada por una fluctuación aleatoria en el caos cuántico primordial.


Al producirse este enfriamiento puntual en una pequeña región del 'megauniverso', una propiedad del vacío sufrió un cambio, una diferenciación, una reestructuración que creó una presión para expandirse, al igual que el agua enfriada.

Esta presión hizo que la pequeña región de espacio-tiempo se expandiera rápidamente como una burbuja, dando lugar a nuestro universo y creando el impulso que provocó la 'explosión' conocida como Big Bang. La inflación en sí solamente duró un corto instante, hasta que el estado metaestable conocido como 'falso vacío' se expandió lo suficiente para consolidarse en un estado estable, el 'verdadero vacío' que conocemos actualmente.


¿Pero qué era esta propiedad del vacío original que produjo la presión inflacionaria? Los físicos hablan de un campo escalar, una forma de decir que se trata de una propiedad que no tenía dirección (por tanto, no es una de las fuerzas conocidas). Se trata de algo que rellenaba el espacio-tiempo y que cambió con la temperatura. Inicialmente Alan Guth propuso que fuera el campo de Higgs (sí, el mismo del bosón de Higgs recientemente descubierto), ya que se trataba del primer campo escalar del que se tenía constancia, al menos teórica. Sin embargo esta posibilidad parece no coincidir con algunas propiedades de la inflación. Por eso hoy en día sólo se habla de un campo escalar cuya partícula mediadora sería el inflatón, pero del cuál realmente se desconoce su naturaleza (más sobre esto después).

Lo que sabemos es que esta propiedad que llena el espacio-tiempo sufrió una transición produciendo una presión expansiva desde que pasó de un estado a otro por el enfriamiento. En unas versiones de la teoría esta transición se produce desde un estado metaestable a otro estable, por efecto túnel. En otras versiones se produce durante una evolución suave de un estado a otro.



¿Cómo resuelve la inflación los cabos sueltos en la teoría del Big Bang?
  • Inicialmente, la diminuta región que se expandió estaba ya en equilibrio térmico, pues era suficientemente pequeña para homogeneizarse aproximadamente a la misma temperatura. Al expandirse rápidamente el espacio-tiempo se conservó esta homogeneidad.
  • Por otra parte, las fluctuaciones cuánticas ('ondas' de diferente densidad y temperatura) que existían en el vacío primordial también se expandieron, tan rápido que no tuvieron tiempo de disgregarse, creando en la burbuja universal zonas más densas y otras más vacías, lo que provocó que las nubes de gas se condensaran más tarde en ciertas áreas para formar cúmulos y galaxias. Los cálculos realizados explican de manera cuantitativa las estructuras a gran escala observadas en el universo. 



Este vídeo explica cómo la inflacción soluciona el problema de la homogeneidad térmica y la estructura del universo:


  • Como hemos visto, la inflación también explica por qué el universo 'explotó' en forma de Big Bang: la enorme presión expansiva creada por el cambio de fase del vacío le hizo reventar como una burbuja, como una botella llena de agua congelada.

Una paradoja de la inflación es que durante esa fase el universo se expandió más rápido que la velocidad de la luz. Aunque este hecho parece contradecir el límite impuesto por la teoría de la relatividad, en realidad no lo hace. El límite de la velocidad de la luz se aplica a los movimientos de un lugar a otro del espacio-tiempo de nuestro universo, pero no se aplica a la expansión del espacio-tiempo mismo. Sea lo que sea que incluye en su seno a nuestro universo, permitió que éste se expandiera a esa velocidad alucinante.

La prueba de la inflación: los resultados del BICEP2


Volvemos así al descubrimiento que justificaba esta entrada: el anuncio de la detección de ondas gravitacionales asociadas a la inflacción. Estas ondas no son más que otro producto de las fluctuaciones cuánticas, sometidas a la rápida expansión de la inflación, y que determinaron la estructura visible en el fondo de radiación de microondas (CMB en la figura siguiente).


La predicción del modelo inflacionario es que estas ondas afectarían al estado de polarización de la luz del fondo de microondas (la polarización es la dirección de vibración de las ondas que componen la luz). El telescopio de microondas BICEP2 comprobó que la magnitud y el tipo de polarización del fondo de microondas se correspondía con lo previsto por la versión inflacionaria de la teoría del Big Bang.



¿Estamos solos en el multiverso?


Cuando se desarrollaron versiones satisfactorias del escenario inflaccionario, inmediatamente se extrajeron dos consecuencias importantes:
  • Primero, el universo como tal podría haber nacido debido a una mera fluctuación al azar del estado primordial (no 'de la nada', sino de un vacío preexistente, que es algo diferente). Por tanto no se necesitaba un estado o condición especial para su creación. 

Existe una gran discusión actualmente sobre en qué medida es posible que el universo haya surgido por una fluctuación, o se requieren otras entidades preexistentes, como las membranas multidimensionales de la teoría de cuerdas, pero lo cierto es que sea cual sea el mecanismo, no se trata de algo que solo pueda existir una vez, y eso nos lleva a la segunda consecuencia:
  •  El proceso inflacionario de creación de una burbuja puede haberse repetido infinidad de veces en diferentes lugares del vacío primordial multidimensional. Por tanto, resulta lógico pensar en la existencia de múltiples burbujas, que podrían solaparse o no. Este concepto de multiverso (se corresponde con los tipos I y II en la clasificación de Tegmark) es diferente al de universos alternativos (tipo III). Los diferentes universos podrían tener incluso diferentes leyes físicas, en la medida en que los cambios de fase que suceden durante el enfriamiento de las burbujas tuviera resultados diferentes.



El Dr Michio Kaku es uno de los que ha estudiado y divulgado con más énfasis esta posibilidad, como se ve en los siguientes videos y en su libro "Mundos paralelos".




La extraña naturaleza de la nada


Nuestro desconocimiento sobre la naturaleza del campo escalar, esa misteriosa propiedad del vacío cuyo cambio de fase creó la inflación cósmica, es otra pista más de que lo que consideramos 'vacío' y la estructura misma del espacio-tiempo están aún lejos de ser conocidos.

El campo del 'inflatón' se une así a otros misterios sobre el vacío, que cada vez parece serlo menos. Como vemos en la siguiente figura, solamente conocemos realmente un mero 5% de la composición del universo. La materia oscura que rodea las galaxias (un 25% de la masa del universo), y que parece un residuo de la materia primordial del Big Bang, está formada por un tipo de partículas que no interactúa con las demás salvo con la fuerza de la gravedad. 

Por otro lado, la inmensa mayoría de la masa-energía del universo estaría formada por la llamada energía oscura, un campo escalar que ejerce un efecto repulsivo, acelerando la expansión del universo. Podría ser, por tanto, un residuo o resultado del cambio de fase del campo inflatón que creó la burbuja.


Lo cierto es que el contenido y naturaleza del espacio-tiempo son más misteriosos que nunca. Lejos quedaron los tiempos en que se pensaba que el vacío era tan solo una ausencia, una nada sin contenido. 

Afortunadamente para los que nos gustan los misterios cósmicos y para los físicos, cada respuesta abre otras preguntas más profundas. Por el momento parece necesario afianzar una teoría que unifique la relatividad y la gravedad con la mecánica cuántica para seguir avanzando. Y para ello habrá que buscar nuevas formas de experimentar y comprobar las predicciones de estas teorías (supersimetría, teoría de cuerdas, teoría del todo...).

Hasta el próximo misterio,

    Salvador