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El artículo de Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt y Abraham Loeb «La burbuja de la inflación cósmica», publicado en el número de abril, ha suscitado una gran controversia entre la comunidad de cosmólogos. En él los autores argumentaban contra uno de los paradigmas centrales de la cosmología moderna: la idea de que nuestro universo experimentó una expansión extraordinariamente rápida en sus primeros instantes, un proceso conocido como «inflación». En el mismo número, Investigación y Ciencia invitó al experto en cosmología inflacionaria Juan García-Bellido a presentar un punto de vista alternativo.

Otros 33 físicos han respondido ahora al artículo de Ijjas, Steinhardt y Loeb en la carta que reproducimos a continuación. Tras ella se incluye la réplica de los autores. Una versión más detallada de sus argumentos se encuentra disponible en physics.princeton.edu/~cosmo/sciam.

—La redacción

 

En «La burbuja de la inflación cósmica», Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt y Abraham Loeb (en adelante ISL) defienden la idea de una cosmología de rebote, como propusieron Steinhardt y otros en 2001. Concluyen con la insólita afirmación de que la inflación «no puede ser evaluada mediante el método científico» y sostienen que algunos de quienes la aceptan han propuesto «deshacerse de una de las propiedades definitorias [de la ciencia]: la verificabilidad empírica», promoviendo en su lugar «algún tipo de ciencia no empírica». No tenemos la menor idea de a qué científicos se refirieren. Son varias las afirmaciones del artículo con las que no estamos de acuerdo, pero en esta carta nos centraremos en nuestra categórica oposición a sus aserciones sobre la verificabilidad empírica de la cosmología inflacionaria.

Resulta indisputable que la inflación se ha convertido en el paradigma dominante en cosmología. Una gran cantidad de científicos de todo el mundo han investigado arduamente durante años distintos modelos inflacionarios y han comparado sus predicciones con las observaciones empíricas. Según la base de datos de física de altas energías INSPIRE, hoy existen más de 14.000 artículos en la bibliografía científica, escritos por más de 9000 científicos, que contienen los términos «inflación» o «inflacionario» en sus títulos o resúmenes. Al afirmar que la cosmología inflacionaria está fuera del método científico, ISL no solo echan por tierra la investigación de todos los firmantes de esta carta, sino también la de un importante contingente de la comunidad científica. Por otra parte, como ha quedado claro gracias al trabajo de varias e importantes colaboraciones internacionales, la inflación no solo es verificable, sino que ha sido sometida a un gran número de pruebas y, hasta la fecha, las ha superado todas.

La inflación no constituye una única teoría, sino más bien una clase de modelos basados en principios similares. Por supuesto, nadie piensa que todos ellos sean correctos, así que la pregunta pertinente es si existe al menos uno que parezca estar bien motivado en términos de la física de partículas subyacente y que describa de manera correcta las propiedades observables de nuestro universo. Esta situación es muy parecida a la que tuvo lugar durante el desarrollo del modelo estándar de la física de partículas, cuando se exploraron diferentes modelos en teoría cuántica de campos en busca de uno que encajase con todos los experimentos.

Aunque en principio existe un amplio espectro de modelos inflacionarios que podríamos examinar, hay una clase muy simple (en términos técnicos, los de «un solo campo que rueda lentamente» [single-field slow-roll]) que ofrecen predicciones muy similares para la mayoría de las cantidades observables: predicciones que fueron enunciadas con claridad hace decenios. Estos modelos inflacionarios «estándar» constituyen una clase bien definida y que ha sido estudiada de manera exhaustiva. (ISL han expresado vehementes opiniones sobre cuáles de esos modelos son a su juicio los más simples, pero la simplicidad es subjetiva, y no vemos ninguna razón para restringirse a una subclase tan pequeña.) Algunos de esos modelos han sido descartados por datos empíricos precisos, lo que forma parte del deseable proceso de usar las observaciones para reducir el conjunto de modelos viables. Sin embargo, sigue habiendo numerosos modelos en esta misma clase que resultan muy satisfactorios desde el punto de vista empírico.

Los modelos inflacionarios estándar predicen que el universo debería tener una densidad de masa igual a la crítica (es decir, una geometría plana) y anticipan también las propiedades estadísticas de las pequeñas fluctuaciones que motean el fondo cósmico de microondas (CMB). En primer lugar, dichas fluctuaciones deben ser casi «invariantes de escala», lo que significa que han de mostrar prácticamente la misma intensidad en todas las escalas angulares. En segundo lugar, deben ser «adiabáticas», lo que quiere decir que las perturbaciones son las mismas para todas las componentes: la materia ordinaria, la radiación y la materia oscura fluctúan al unísono. En tercer lugar, han de ser «gaussianas», una afirmación sobre los patrones estadísticos de las regiones relativamente brillantes y oscuras. Y en cuarto y último lugar, dichos modelos hacen predicciones sobre los modos de polarización del CMB, los cuales pueden dividirse en dos: los E y los B. Las predicciones con respecto a los modos E resultan muy similares para todos los modelos estándar, mientras que las referentes los modos B (los cuales constituyen una medida de la radiación gravitatoria presente en el universo temprano) varían significativamente de unos a otros.

El hecho destacable es que, desde los resultados del satélite COBE en 1992, numerosos experimentos han confirmado que estas predicciones (junto con otras muchas demasiado técnicas para mencionarlas aquí) describen con precisión nuestro universo. La densidad media de masa en el cosmos se ha medido con una precisión cercana al medio punto porcentual y concuerda a la perfección con la predicción inflacionaria. (Cuando se propuso la inflación, la incertidumbre en la densidad media de masa era de al menos un factor tres, por lo que se trata de un éxito espectacular.) Las fluctuaciones del CMB han sido medidas con gran detalle por otros dos satélites, WMAP y Planck, así como por numerosos experimentos terrestres y en globos. Todos ellos han confirmado que, en efecto, las fluctuaciones primordiales son casi invariantes de escala, así como adiabáticas y gaussianas con muy buen grado de aproximación, justo como predijeron (por adelantado) los modelos inflacionarios estándar. Aún no hemos observado los modos B de polarización, lo cual es compatible con muchos de los modelos estándar, aunque no con todos; mientras que los modos E se ajustan también a las predicciones. En 2016, el equipo de la misión Planck, una colaboración formada por unos 260 científicos, resumió sus conclusiones diciendo que «los resultados de Planck ofrecen pruebas contundentes a favor de los modelos inflacionarios simples». Así que, si la inflación no es verificable, como pretenden hacernos creer ISL, ¿por qué ha sido sometida a tantas pruebas y ha cosechado éxitos tan notables?

A pesar del éxito inequívoco de los modelos inflacionarios, ISL insisten en que la inflación no es verificable. (Nos desconcierta que afirmen que no deberíamos tener en cuenta los rotundos éxitos observacionales de la inflación, ¡al tiempo que acusan a sus partidarios de abandonar la ciencia empírica!) Argumentan, por ejemplo, que no lo es porque resulta posible modificar sus predicciones variando las condiciones iniciales o la forma de la curva que describe la densidad de energía inflacionaria. Pero la verificabilidad de una teoría no requiere en modo alguno que todas sus predicciones sean independientes de la elección de los parámetros. Si semejante independencia con respecto a los parámetros fuera un requisito, también tendríamos que cuestionar la validez del modelo estándar, con su contenido de partículas y 19 o más parámetros determinados empíricamente.

Un aspecto importante es que los modelos inflacionarios estándar podrían no haber superado alguna de las pruebas empíricas mencionadas arriba, pero no ha ocurrido así. ISL escriben que «una teoría fallida se torna cada vez más inmune al experimento a medida que la vamos enmendando», dando a entender que esto guarda algún vínculo con la inflación. Pero, a pesar de esa retórica, constituye una práctica habitual de la ciencia empírica modificar una teoría a medida que nuevos datos salen a la luz; igual que, por ejemplo, el modelo estándar de la física de partículas se fue acomodando para dar cuenta de los quarks y leptones que iban apareciendo. Entretanto, en el caso de la cosmología inflacionaria, hasta ahora no ha sido necesario ir más allá de la clase de modelos estándar.

ISL afirman también que la inflación no es verificable porque conduce a la inflación eterna y a un multiverso. Sin embargo —y aunque la posibilidad del multiverso constituye una activa área de estudio—, esa idea no interfiere en absoluto con la verificabilidad empírica de la inflación. Si la noción del multiverso es válida, entonces habría que entender el modelo estándar de la física de partículas como una descripción de la física en nuestro universo visible; y, del mismo modo, los modelos inflacionarios que estamos refinando con las observaciones recientes describirían las formas en que la inflación pudo ocurrir en nuestra región particular del universo. Ambas teorías permanecerían de lleno en el dominio de la ciencia empírica: los científicos todavía podrían comparar los nuevos datos (obtenidos a partir de observaciones astrofísicas y experimentos de física de partículas) con las predicciones precisas y cuantitativas de los modelos concretos de inflación y física de partículas. Nótese que esta cuestión es diferente del objetivo, más ambicioso, de desarrollar un marco teórico capaz de predecir, sin usar datos observacionales, qué modelos de inflación y de física de partículas deberían describir nuestro universo visible.

Como cualquier otra teoría científica, la inflación no tiene por qué abordar todas las preguntas imaginables. Los modelos inflacionarios, al igual que todas las teorías científicas, se basan en un conjunto de suposiciones, cuya compresión podría requerir apelar a una teoría más profunda. Sin embargo, esto no socava el éxito de los modelos inflacionarios. La situación es similar a la de la teoría tradicional de la gran explosión: el hecho de que esta dejara varias cuestiones sin resolver, como por qué el universo presenta una densidad de masa casi igual a la crítica, o cuál es el origen de las estructuras cósmicas (problemas que la inflación resuelve de manera elegante), no socava sus muchas predicciones certeras, como la referente a las abundancias relativas de los elementos químicos ligeros. Que nuestro conocimiento del universo sea todavía incompleto no constituye ninguna razón para ignorar los impresionantes éxitos empíricos de los modelos inflacionarios estándar.

A lo largo de sus más de 35 años de existencia, la teoría inflacionaria se ha convertido poco a poco en el principal paradigma cosmológico para describir las primeras etapas de la evolución del universo y la formación de su estructura a gran escala. Nadie dice que la inflación haya quedado probada; las teorías científicas no se demuestran del mismo modo que los teoremas matemáticos. Pero, con el paso del tiempo, aquellas que resultan exitosas van consolidándose más y más gracias a comprobaciones experimentales cada vez mejores y a los desarrollos teóricos. Esto es lo que ha sucedido con la inflación. El avance continúa gracias al esfuerzo entusiasta de numerosos científicos que han elegido participar en esta vibrante rama de la cosmología.

¡La ciencia empírica sigue gozando de buena salud! 

Alan H. Guth  Instituto de Tecnología de Massachusetts

David I. Kaiser  Instituto de Tecnología de Massachusetts

Andrei D. Linde  Universidad Stanford

Yasunori Nomura  Universidad de California en Berkeley

Charles L. Bennett  Universidad Johns Hopkins, Misiones WMAP y COBE

J. Richard Bond  Universidad de Toronto, Instituto Canadiense de Investigación Avanzada, Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica y colaboración Planck

François Bouchet  Instituto de Astrofísica de París, CNRS y Universidad de La Sorbona, consorcio del instrumento HFI del satélite Planck y equipo científico de la misión Planck

Sean Carroll  Instituto de Tecnología de California

George Efstathiou  Universidad de Cambridge y equipo científico de la misión Planck

Stephen Hawking  Universidad de Cambridge

Renata Kallosh  Universidad Stanford

Eiichiro Komatsu  Instituto Max Planck de Astrofísica y colaboración WMAP

Lawrence M. Krauss  Universidad Estatal de Arizona

David H. Lyth  Universidad de Lancaster

Juan Maldacena  Instituto de Estudios Avanzados de Princeton

John C. Mather  Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA y misión COBE

Hiranya Peiris  Colegio Universitario de Londres, Centro Oskar Klein de Física de Cosmopartículas, colaboración WMAP y colaboración Planck

Malcolm Perry  Universidad de Cambridge

Lisa Randall  Universidad Harvard

Martin Rees  Universidad de Cambridge

Misao Sasaki  Universidad de Kioto

Leonardo Senatore  Universidad Stanford

Eva Silverstein  Universidad Stanford

George F. Smoot III  Universidad de California en Berkeley y Misión COBE

Alexei Starobinsky  Instituto Landau de Física Teórica, Academia Rusa de Ciencias

Leonard Susskind  Universidad Stanford

Michael S. Turner  Universidad de Chicago

Alexander Vilenkin  Universidad Tufts

Steven Weinberg  Universidad de Texas en Austin

Rainer Weiss  Instituto de Tecnología de Massachusetts, Misión COBE y LIGO

Frank Wilczek  Instituto de Tecnología de Massachusetts

Edward Witten  Instituto de Estudios Avanzados de Princeton

Matías Zaldarriaga  Instituto de Estudios Avanzados de Princeton

 

RESPONDEN LOS AUTORES: Sentimos un gran respeto por los científicos que han firmado la réplica a nuestro artículo. Pero su respuesta nos ha decepcionado por cuanto pasa por alto nuestro punto clave: las diferencias entre la teoría inflacionaria que una vez se creyó posible y la teoría tal y como la entendemos hoy. La afirmación de que la inflación ha sido confirmada se refiere a la teoría obsoleta, antes de que entendiésemos sus problemas fundamentales. Creemos firmemente que en una comunidad científica saludable hay lugar para el desacuerdo respetuoso y, por tanto, rechazamos la idea de que, al señalar los problemas de la inflación, estemos echando por tierra el trabajo de todos aquellos que la desarrollaron y que hicieron posible efectuar mediciones precisas del universo.

Históricamente, las ideas sobre la inflación se basaron en una serie de malentendidos. No se entendía que el resultado de este proceso era extremadamente sensible a las condiciones iniciales, y tampoco que la inflación conduce en líneas generales a una inflación eterna y, como consecuencia, a un multiverso; es decir, a una variedad infinita de resultados. Los artículos que sostienen que la inflación predice esto o aquello hacen caso omiso de estos problemas.

Nuestro argumento defiende que deberíamos estar hablando sobre la versión contemporánea de la inflación, con todas sus imperfecciones, no sobre una reliquia caduca. Como es lógico, si el resultado de la inflación es extremadamente sensible a unas condiciones iniciales que todavía no entendemos, como admiten los firmantes, entonces no podemos determinar su resultado. Y si la inflación produce un multiverso en el que, por emplear una antigua cita de uno de los autores (Guth), «cualquier cosa que pueda suceder acabará sucediendo», no tiene absolutamente ningún sentido hablar de predicciones. A diferencia de lo que ocurre con el modelo estándar de la física de partículas, cualquier modelo inflacionario produce, incluso después de fijar todos sus parámetros, una variedad infinita de resultados, ninguno de los cuales resulta preferido sobre ningún otro. Esto hace a la inflación inmune ante cualquier prueba observacional. Para más detalles, véase nuestro artículo de 2014 «Inflationary schism after Planck 2013» (disponible en arxiv.org/abs/1402.6980).

Somos tres pensadores independientes que representamos a diferentes generaciones de científicos. La intención de nuestro artículo no era reabrir viejos debates, sino discutir las implicaciones de las observaciones recientes y señalar algunas cuestiones no resueltas, las cuales ofrecen oportunidades para que una nueva generación de cosmólogos produzca un impacto duradero. Esperamos que los lectores vuelvan a revisar los párrafos finales de nuestro artículo. En ellos nos posicionábamos en contra del principio de autoridad y abogábamos por reconocer abiertamente las limitaciones de las ideas actuales, redoblar los esfuerzos para solucionar sus problemas y explorar con la mente abierta diversas opciones que los evitan por completo. Seguimos apoyando estos principios.

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