Entrevista a Patrick Peter

De la teoría al conocimiento del Universo

Annia Domènech / 21-10-2008

Patrick Peter es director de investigación en el CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), y fundador del grupo de física teórica en el Instituto de astrofísica de París. Asimismo, es autor de la obra de referencia Primordial Cosmology (Oxford, 2008).

El modelo de la inflación explica la formación y evolución del Universo. Afortunadamente no es el único. Existen otras propuestas que se ponen y lo ponen a prueba.


¿En qué consiste su trabajo?
Hago cálculos matemáticos. Partiendo de teorías conocidas y verificadas intento desarrollar otras hipótesis. En ciencia es necesario que haya teoría y experimentación. Antes de realizar experimentos para medir cualquier dato, se requiere la teoría.
La física teórica se utiliza en todos los dominios de la astrofísica. Yo lo hago en cosmología, pero la gente que trabaja en física estelar, por ejemplo, la utiliza continuamente. En el interior del Sol tiene lugar una explosión termonuclear permanente, que es física nuclear, teórica en sus inicios. Ahora también es experimental, ya que tiene otras aplicaciones, como es bien sabido.

¿Cómo se verifican los modelos?
Para determinar si un modelo es correcto hay dos opciones: llevarlo hasta el límite, trabajar en él para intentar comprender cuáles son todas las predicciones que puede tener y verificarlas una tras otra hasta que no funcione, o bien proponer un modelo completamente distinto y comprobar si proporciona el mismo resultado.
En cosmología, para explicar la formación del Universo se utiliza la relatividad general, que es una teoría bastante bien demostrada. En el marco de la inflación (actualmente la hipótesis más aceptada), se puede llegar más lejos con modelos más complejos que los que existen actualmente (por ejemplo, en teoría de cuerdas, trabajar con diez dimensiones en lugar de cuatro). O puede desarrollarse una hipótesis completamente distinta a la inflación. Esto es lo que yo intento hacer con el modelo de rebote, según el cual el Universo en vez de estar en expansión constante (inflación), sufrió una fase de contracción y rebotó para expandirse después de nuevo.

¿Es que este tipo de desarrollos teóricos pueden ser ratificados también experimentalmente?
Sí, por esto los hago. Es cierto que hay investigadores que se dedican a trabajos puramente matemáticos, únicamente académicos. Pero otros intentamos realizar teorías que puedan medirse experimentalmente. Mi trabajo no puede verificarse en los aceleradores de partículas, pero sí directamente en el Universo, por ejemplo en las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas.

¿Con qué fiabilidad?
Con un gran porcentaje de fiabilidad y con grandes márgenes de error. El objetivo de los científicos teóricos es encontrar los experimentos que pongan a prueba sus teorías para poder rechazarlas, restringiendo las que son posibles. Somos un poco masoquistas.

Una teoría valida es la que sobrevive, entonces.
Esto ya lo dijo Karl Popper en el s. XX. Experimentalmente se puede demostrar que una teoría es falsa, pero no que es verdadera; únicamente que los datos obtenidos no la contradicen.

Resulta difícil imaginar cómo se puede trabajar con colaboradores en la realización de cálculos teóricos.
Hay ocasiones en las que los investigadores son igual de competentes para realizar los cálculos; entonces los realizan por separado y no se acepta un resultado hasta que todos han obtenido el mismo. Otra posibilidad es trabajar con colaboradores con distintos conocimientos, en cuyo caso el trabajo reposa sobre varios pilares. Por ejemplo, hace unos diez años escribí unos artículos con un científico que desconocía la "Teoría de la perturbación en cosmología", mi área de investigación, mientras que yo no era un especialista en cosmología cuántica. Y trabajamos juntos en la aplicación de la cosmología cuántica a dicha teoría.

¿Es que otros investigadores rehacen los cálculos antes de que los resultados sean publicados en una revista con revisión por pares, como Physical Review?
Los revisores no rehacen todos los cálculos. Cuando realizo ese trabajo, yo los repito dependiendo de algunos factores. Uno es si conozco o no a los autores. De no conocerlos, tiendo más a desconfiar (y, si los conozco, a veces también). Otro factor, que puede sorprender, es una consideración estética. Simplemente viéndolas, se sabe si algunas ecuaciones son incorrectas. Por ejemplo, si a partir de ecuaciones simples, a través de un mecanismo simple se obtiene un resultado complejo, entonces se rehacen los cálculos. Con frecuencia hay un error. Es difícil de explicar, es como un error tipográfico en un texto: se remarca inmediatamente incluso sin saber dónde está.

Y después de publicarse los artículos, ¿se repite el trabajo?
Cada vez que un miembro de una comunidad científica publica algo nuevo, sus colegas reproducen sus cálculos para ver si funciona, tanto los que se interesan por su trabajo y/o desean aprender, como aquellos que intentan demostrar que se ha equivocado. Yo hace veinte años que me dedico a lo mismo, y ha habido artículos míos que han sido rechazados, por suerte, ya que no eran buenos. A veces uno piensa que lo que ha hecho es correcto y después resulta que no.

¿Puede explicar mejor en qué consiste su investigación sobre el rebote?
El modelo teórico de la inflación, que se basa en una fase de expansión acelerada del Universo, es ahora mismo el único que permite reproducir la situación actual. Nosotros intentamos encontrar un mecanismo alternativo. Una posibilidad es partir de un Universo muy grande y vacío, que se hunde sobre sí mismo hasta que los fenómenos de gravitación cuántica u otros empiezan a intervenir; entonces rebota y pasa a una fase de expansión, en la que estamos.
¿Por qué el Universo es plano?, ¿por qué hay el punto del horizonte?, ¿por qué existen las perturbaciones?… Son preguntas que también tiene respuesta en el marco del rebote. Cierto, de manera menos "limpia" que en el modelo de la inflación, pero esto es lógico: hace veinticinco años que una gran parte de la comunidad teórica en cosmología trabaja en este modelo y han logrado construir algo más o menos correcto. Al modelo del rebote sólo se dedican unos cincuenta físicos desde hace una década. Los resultados no pueden ser comparables.

¿Es que se da prioridad a los trabajos sobre la inflación en las tesis, en los presupuestos para los proyectos, en las publicaciones…?
Sí, pero es normal. En este momento hay un sesgo hacia la inflación porque es la única teoría que encaja con los datos. A mí me gusta trabajar en dominios que no están de moda. Pienso que ello me permite ganar más fácilmente, aunque también perderlo todo. Es muy gratificante desarrollar una hipótesis que, cuando nadie se lo espera, resulta ser correcta. Como somos pocos en el área, si hay algo que descubrir, ¡es más probable que lo haga yo!
Además, las propuestas alternativas contribuyen a mejorar la teoría estándar. Si la experimentación no es compatible con los resultados del modelo de rebote y sí con la inflación, la refuerza. Incluso si no es compatible con la inflación (puesto que ésta no puede predecir nada en el ámbito estudiado) pero es incompatible con el rebote, también la refuerza. Desarrollar teorías alternativas siempre es positivo.

¿Qué cálculos realiza exactamente?
En un universo completamente homogéneo no ocurre nada, esté en expansión o en contracción. Pero si en un instante se concentra más materia en un punto, la fuerza de gravedad, atractiva, reforzará este fenómeno de modo que cada vez habrá más materia allí y menos en otras partes. De este modo se forman las grandes estructuras.
Es posible preguntarse si hay una distancia característica a la que aparecen estas fluctuaciones. Yo calculo cómo se reparten estas perturbaciones primordiales en el espacio en función de la distancia. Se busca un mecanismo que haga aparecer un poco más de materia en unos lugares que en otros y, también, precisar el tamaño de las esferas. Los datos observacionales muestran que pueden ser de todos los tamaños posibles, sin privilegiar ninguno. Es lo que se denomina un espectro invariante de escala. En el modelo de rebote se fabrica esta perturbación. Si no encontráramos este tipo de espectro, el modelo iría directamente a la papelera.

¿De qué condiciones iniciales se parte en la fabricación de esta perturbación?
Partimos de la idea de que el Universo está vacío. Podría haber otras opciones, pero el vacío es un estado bien definido en mecánica cuántica (y no está vacío, si no sería demasiado sencillo). Es el estado de energía más bajo. Si no acordáramos esta premisa, entonces podría ser cualquier cosa, y no podríamos trabajar. Siempre se da el mismo problema: establecer unas condiciones iniciales.
Y no es absurdo partir del vacío, viendo lo grande y "sin casi nada" que es el Universo. La condición inicial se hace evolucionar, se aplica el rebote, y éste produce partículas. Se pasa a un estado que ya no está vacío. En la inflación ocurre el mismo tipo de mecanismo pero no el mismo mecanismo.

¿Y qué resultados se obtienen con el rebote?
Un espectro invariante de escala. Y podemos intentar ir más lejos con lo que conocemos en cosmología estándar: hacer evolucionar las fluctuaciones de densidad hasta la formación de galaxias y otras estructuras, el paso de la radiación a través de los cuerpos… Si llegamos a producir fluctuaciones de densidad, podemos producir también fluctuaciones de ondas gravitacionales. Resulta interesante comprobar a qué longitudes de onda serían, si poseerían el mismo espectro…
Es posible comparar las predicciones para la inflación con las del rebote. En la densidad coinciden. En cambio, para las ondas gravitacionales los resultados son lo bastante distintos como para que se puedan proponer experimentos discriminatorios, por ejemplo con el satélite europeo Planck, que será lanzado próximamente.

Una vez el satélite en funcionamiento, ¿cuánto tiempo tardarán en tener resultados?
Debería ser bastante rápido. Planck realizará medidas muy precisas tanto de los efectos de la radiación gravitatoria como de la densidad. Estas dos características pueden explicarse matemáticamente por una serie de parámetros, y estos no serán los mismos.

¿Podría Planck invalidar la teoría de la inflación?
Podría mostrar que no es correcto el modelo de inflación más simple, que es el que de momento coincide mejor con los datos que tenemos de cómo es el Universo.
La gran fuerza del modelo de la inflación, y quizás también su gran debilidad, es que el resultado de las mediciones previstas será compatible con lo que conocemos. Salvo que aparezca un resultado sorprendente e inesperado, en los próximos años no podrá ser rechazado. Algunos científicos pensaron que en los datos de la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, Sonda Wilkinson para el estudio de la Anisotropía de la Radiación del Fondo Cósmico de Microondas), de la NASA, podía verse "otra cosa", pero no era obvio.

¿Otra cosa?
Es muy difícil de explicar.
Cuando en el Universo la radiación procedía de todas partes, rompía las perturbaciones, que no podían crecer. Sólo al cambiar esta situación, pudieron comenzar a contraerse y formar estructuras. Es posible ver "esto" en el espectro como oscilaciones de un tamaño característico. Una de ellas es la talla del Universo, el radio de Hubble, en el momento en que el Universo pasó de ser dominado por la radiación a ser dominado por la materia.
Si hubiera habido un rebote, este tipo de fenómeno habría tenido que desarrollarse una vez más. Entonces aparecerían pequeñas oscilaciones superpuestas las unas a las otras, que indicarían la presencia de una primera fase. Con un modelo de inflación, no es posible obtener este tipo de datos.
Por el momento no se ha verificado dicho resultado, aunque algunos análisis de los resultados de WMAP indicaban que sí. Si con Planck se estableciera la existencia de estas oscilaciones, el modelo de la inflación comenzaría a tenerlo difícil.

¿No podrían proponerse explicaciones para justificarlas en el marco del modelo de la inflación?
Sí, pero el modelo se complicaría mucho más, y las teorías sobre la inflación devendrían mucho menos "naturales" que las otras. Actualmente un modelo de rebote es poco natural en el sentido de que no es realmente necesario. Todos los datos obtenidos refuerzan la inflación y no merece la pena romperse la cabeza. Ajustar los datos al rebote es complejo, mientras que a la inflación parece más sencillo. Si hubiera oscilaciones, entonces ocurriría lo contrario.

¿Por qué insistir en el rebote?
Pienso que no es bueno que haya una sola teoría. Una vez que la inflación haya adquirido el estatus de, por ejemplo, la relatividad general, entonces podremos dedicarnos a otras cosas. Hasta entonces, hay que intentar eliminar completamente las otras opciones. No es seguro que la inflación sea la explicación correcta.

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  • Modelo de rebote del UniversoModelo de rebote del Universo

    Representación animada del modelo de rebote para explicar la formación del Universo.

    © caosyciencia.com

  • Modelo de reboteModelo de rebote

    El modelo de rebote, alternativo al modelo estándar de la inflación, parte de un universo ...

  • Modelo estándarModelo estándar

    Modelo estándar (modelo de la inflación), basado en una fase de expansión acelerada del Universo.

    Créditos: ...

El autor

Annia Domènech es Licenciada en Biología y Periodismo. Periodista científico responsable de la publicación caosyciencia.

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