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En el verano de 1999 leí el libro de Alan Guth, El universo inflacionario, en su versión española (la inglesa data del 1997, sobre su teoría propuesta en 1981 para explicar la expansión ultrarápida del universo en los instantes iniciales). Se trata de un libro de 383 páginasque trata sobre una fase del Big Bang (o teoría de la gran explosión, que explica el origen del Universo) que dura unos 10-33 segundos!! Para entendernos, si un segundo es 1, estamos hablando de un numero enano como 0, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001. El libro de Guth me pareció muy interesante, aunque desigual, pero nunca ha dejado de sorprenderme como se pueden necesitar tantas páginas para describir algo tan sumamente pequeño. A pesar de las críticas a la teoría inflacionaria de Guth, también atribuida a Linde, y de sus variantes, permanece en pié como una dato cierto de nuestra cosmología
El universo en expansión desde el Big Bang
Aproximadamente 10-35 segundos después del tiempo de Planck un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. La teoría que describe esta inflación tiene el merito fundamental de explicar problemas clásicos de la física teórica en cosmología como el problema del horizonte, las heterogeneidades, la anisotropía y la curvatura del espacio, en los que no vamos a entrar ahora. Inmediatamente después de la era inflacionaria tenemos la interesantísima era de los quarks, ¿pero y antes que pasó?


Entre cero y 10−43 segundos, el inicio del Big Bang (que en inglés no solo significa gran explosión, sino gran copulación, quizás más apropiado, aunque paradójicamente la Unión Internacional Astrónomica no tienen una definición para ello), en la llamada época de Plank(porqué equivale a un tiempo de Planck y la mecánica cuántica considera que no tiene sentido hablar de intervalos más pequeños), no existe una explicación realmente convincente. La física relativista de Einstein predice una singularidad gravitacional de densidad infinita, es decir, una pelota infinitamente pequeña e infinitamente pesada. Cuando encontramos el infinito en ciencia, sabemos que aunque podemos hacer operaciones con él, no podemos comprender el fenómeno descrito y hay que buscar alternativas. Nada cierto sabemos de lo que pasó con el Universo hasta alcanzar la densidad de Plank, equivalente a 100 miliardos de galaxias comprimidas en el núcleo de un átomo, casi nada!! Pero existen teorías que son buenas candidatas a explicar que pasó, como el modelo Weinberg-Salam, que vamos a describir, basado en la llamada rotura de la simetría original del Universo.


El Universo era extremadamente simple, no existia ni materia, ni casi energía, era un espacio vacío diminuto, plegado sobre sí mismo. El increíble aumento de la complejidad de este vacío, se produjo mediante la rotura de la simetría, una transición típica en sistemas que pierden energía y que viene acompañada de un cambio de fase. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, con la congelación del agua. El estado liquido es un estado simétrico donde las partículas se mueven en todas direcciones. A partir de los cero grados, un cambio de fase hace que las moléculas se alinean formando una estructura cristalina, reduciendo su movilidad y por tanto, rompiendo la simetría original.


Para entender, este acontecimiento originario, haremos un pequeño excursus sobre las física de partículas subatómicas, que nos ayudará a familiarizarnos con el vocabulario necesario.


El modelo estándar
El modelo estándar de física de partículas describe todas las existentes referentes a la materia y a las fuerzas del Universo. Las partículas de materia son los llamados fermiones que se dividen en quarks leptones (electrones neutrinos, esto si que suena...). Los quarks forman el núcleo atomico y son capaces de inetractuar con la interaccion nuclear fuerte. Los quarks no se hallan sueltos en la naturaleza, si no en grupos llamados hadrones, de los cuales hay dos tipos, los bariones y losmesones. Los leptones son periféricos al núcleo, como los electrones e interactuan con la fuerza nuclear débil.
Las fuerzas en la física (o interacciones fundamentales) son la forma en que las partículas interactúan recíprocamente y se influyen mutuamente. A nivel macroscópico, por ejemplo, la fuerza electromagnética permite que las partículas interactúen con campos magnéticos y por medio de ellos, y la fuerza de la gravitación permite que dos partículas con masa se atraigan una a otra. El modelo estándar explica tales fuerzas como el resultado del intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia, conocidas como partículas mediadoras de la fuerza. 
Los bosones son  las partículas mediadoras de fuerzas. El fotón es el más conocido y responsable de la fuerza electromagnética, que es la que actúa entre particulas con carga electrica (que las atrae o repele). Los gluones son los que median con la fuerza nuclear fuerte, que es la que permite que los quarks se unan paras formar hadrones.  Los bosones gauge W y Z, son responsables de la mediación de la fuerza nuclear débil, que afecta a quarks y a leptones, a un atributo de las partículas llamado sabor (pero mejor dejemos lo aquí que no tiene que ver con recetas de cocina). Para la última fuerza, lagravedad, no sabemos nada. Afecta a todas la partículas, incluso a aquellas que no tienen masa. Se especula con un posible bosón llamado graviton, pero no hay mucho de convincente ni a nivel experimental, ni a nivel de modelos matemáticos. Esto nos lleva al hueso de la gravedad, del que parece responsable la energía oscura que forma el 70% del Universo y que desconocemos lo que es.

En el origen del Universo los cuatro campos de fuerzas que existen en la naturaleza, eran iguales entre si pudiendo considerarse un único campo. La simetría original estaba formada por una única fuerza y un único campo de fermiones. Aunque no existían las partículas, si existían los campos. La nada inicial era aparente. Recordemos que según la reciente teoría cuántica de los campos, las partículas subatómicas como los fermiones son en realidad manifestaciones de los campos. Lo importante son los campos como contenedores/productores de partículas. El valor de ese campo inicial al no tener partículas era cero, lo que llamamos vacío.

Higgs
Fue Peter Higgs que en 1964 teorizó un campo bosónico llamado campo de Higgs, que tiene una particularidad y es que su estado de mínima energía no se corresponde con el vacío (con el valor cero del campo), sino que justamente en el vacío el campo tiene su máximo de energía. Además, tiene infinitos mínimos posibles de energía. Cuando el sistema se halla en uno de los posibles mínimos de energía, el valor de campo es distinto de cero y por tanto, aparecen partículas, los llamados bosones de Higgs, -supongo que el interés por estas pelotillas es por lo que mi amigo +Juan de Diego me llama el Busom de Higgs. Las propiedades de este campo son contraintuitivas, pero son una posibilidad teórica que cae por su peso. La ausencia de estos bosones representa una tensión enorme para el Universo. Para que partiendo de un mínimo de energía ese campo vuelva a cero, es necesario suministrar energía. Por ello, cuando la energía del Universo originario era muy elevada, el campo podía mantenerse sin problemas en su valor cero y mantener el Universo vacío. Al inicio la temperatura era de 1032 K (grados en escala Kelvin) y por alguna razón que desconocemos, una expansión suave lo hizo enfriarse hasta los 1027 K. Esta temperatura se corresponde con una energía media de 1015 GeV (medida en gigaelectronvolt), que es la energía en la que se unifican todas la fuerzas. Al bajar la temperatura el sistema se hizo inestable, hubo una rotura espontanea de la simetría. Se utiliza el ejemplo de una canica en un sombrero mexicano: si se pone este sobre una mesa, por la parte cóncava hacia abajo y se pone una canica en el montículo, siempre tiende a caer rodando hacia el ala. De hecho el campo de Higgs asemeja a un sombrero mexicano, una función escalar llamada lagrangiano.

La rotura espontánea de la simetría del campo de Higgs hizo aparecer su partícula, el famoso bosón de Higgs (confirmado el  14 de marzo de 2013 por el CERN en las pruebas del LHC), El diferencial de energía que hay entre las dos situaciones (antes y después de la rotura de la simetría) es enorme. El campo estaba en una situación de muy alta energía y pasa a una de muy baja, liberando una enorme cantidad de materia: el Universo se satura de bosones de Higgs, que no caben en ese diminuto espacio y hacen una presión descomunal por expandirlo para hacerse sitio. Esa explosión de partículas es el origen del Universo. En el mecanismo de Higgs, la masa no es "generada" en la partícula por una milagrosa creación de la nada, es transferida a la partícula desde el campo de Higgs (lo que se llamamecanismo de Higgs), que contenía esa masa en forma de energía. De ahí se fueron separando las fuerzas, primero la gravitación, luego la interacción fuerte, más tarde la interacción débil y la electromagnética.



El sombrero mexicano del campo de Higgs

La rotura de la simetría hace aparecer también el espacio y el tiempo, a través de la expansión del Universo y la elevación de su temperatura. Anteriormente, en la simetría, en un vacío eternamente igual a sí mismo, no hay memoria del Universo y no tiene sentido hablar de tiempo, ni de espacio. No es el tiempo el que permite el desarrollo del Universo, sino al revés, es la evolución originaria del Universo la que crea al tiempo. Lo que también transmite esta teoría es que el vacío no es la Nadasiempre hubo algo y ese algo no fue creado, siempre estuvo allí. Ese algo, es esa pequeña canica de la que todo explotó y que estuvo en un estado de desequilibrio dinámico durante un tiempo indeterminado que no podemos saber, porque el propio tiempo no existía. Teorías recientes de los multiuniversos en burbuja, explican que cuando un Universo se colapsa y se acaba, hace que nazca uno nuevo y así siempre. Difícil de entender y aceptar, pero es lo que podemos decir hoy.

El bosón de Higgs fue llamado la partícula de Dios en un libro de Leon Lederman. A Higgs nunca le gustó. A mi tampoco. El boson de Higgs es precisamente una partícula atea, que demuestra la inutilidad y la ingenuidad de algo llamado Dios. La divinidad es superflua en el Universo, porqué sólo existe un organismo vivo, el propio Universo omnipotente y omniscente.


En la primera propuesta de Guth, pensó que una partícula que llamó inflatón era el campo de Higgs, después cayó en descrédito esta equivalencia y recientemente con Weinberg-Salam, se ha vuelto a recuperar. Preferimos no pensar cuantas páginas podría necesitar esta vez Guth u otro físico, para aclarar la fase pre-inflacionaria, aunque probablemente con una fórmula bastaría.




Vídeo recomendado
Ver la magistral conferencia del físico catalán José Ignacio Latorre, profesor de Física Teórica de la Universida de Barcelona, sobe la ciencia y el Bosón de Higgs. Es larga pero vale la pena.




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