Hawking, Mukhanov y la galaxia cuántica
Premio Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas
La Fundación BBVA reconoce la labor de los físicos por descubrir de forma independiente que las galaxias se formaron a partir de perturbaciones cuánticas en el principio del universo.
Los físicos Stephen Hawking (Oxford, 1942) y Viatcheslav Mukhanov (Kanash, antigua URSS, 1952) son los ganadores del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas "por descubrir que las galaxias se formaron a partir de perturbaciones cuánticas en el principio del universo". De forma independiente y con un año de diferencia, ambos investigadores llegaron a la misma conclusión que posteriormente ha sido verificada por las observaciones de telescopios espaciales. "Su originalidad fue conectar la física cuántica y la cosmología para explicar por qué en el universo hay grandes acumulaciones de materia".
Como explica el acta del jurado, "Stephen Hawking y Viatcheslav Mukhanov propusieron que las fluctuaciones cuánticas microscópicas eran el origen de la estructura observable a gran escala del universo. Este planteamiento, ahora validado por las observaciones, es un resultado fundamental en la cosmología". Mukhanov "fue el primero en reconocer que la estructura del universo, incluyendo la formación de las galaxias, podía tener origen cuántico microscópico", indica el acta. "En 1982, Hawking estudió de manera independiente un escenario para la aceleración cósmica en presencia de fluctuaciones cuánticas, llegando a la misma conclusión".
La materia se agrupa en el universo formando galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos de galaxias. Esas grandes estructuras de materia llevan creciendo poco más de 13.000 millones de años, es decir, desde que el universo empezó a expandirse en el Big Bang. Pero ¿cómo empezó el proceso? ¿Por qué empezó a acumularse la materia? A principios de los años ochenta Hawking y Mukhanov, trabajando de forma independiente, dijeron que en el universo recién nacido, fracciones de segundo después de iniciarse la expansión, tuvo que haber fluctuaciones cuánticas que actuaron como semillas de las galaxias. Nadie creía entonces que llegara a ser posible demostrar experimentalmente su existencia, pero han bastado tres décadas para que ocurriera exactamente eso: en 2013 un satélite europeo confirmó plenamente las predicciones.
El físico ruso Mukhanov, actualmente catedrático de Cosmología en la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich, Alemania, explicó ayer tras recibir la noticia del premio que "ni en sus mejores sueños" imaginó, en los años ochenta, que sus predicciones llegarían a ser demostradas experimentalmente. Mukhanov publicó su trabajo en 1981, cuando aún era un estudiante de doctorado en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, donde investigaba bajo la influencia de grandes físicos teóricos, entre ellos Yakov Zeldovich -uno de los creadores de la bomba atómica-. "Yo no trabajaba para hacer feliz a los experimentos, trabajaba para hacer feliz a Zeldovich", dijo ayer Mukhanov en tono de broma, que recuerda no obstante el ambiente de gran libertad científica que se respiraba en ese grupo, aún en el régimen de la Unión Soviética. Mukhanov firmó su trabajo con G. Chibisov, fallecido en 2008.
En los años setenta la cosmología era un área "todavía muy especulativa", señala Mukhanov. Se sabía que el universo está expandiéndose, y que era muy probable que hubiera estado muy caliente en el pasado. Pero no mucho más. Apenas había datos observacionales, lo que contribuía a que no fuera un área muy importante en la Física. Sin embargo, la formación de las galaxias era una de las cuestiones consideradas más relevantes, y también pensaba en ella Stephen Hawking.
Como explicó ayer Mukhanov, "llegamos a la idea de que la misma física que es responsable de la estructura de la materia a escalas muy pequeñas, de los átomos, puede ser responsable también de la estructura a gran escala. Esto parece una locura, pero nos dimos cuenta de que en el pasado el universo era extremadamente pequeño, y por eso la física cuántica podía explicar cómo se formaron los embriones de las galaxias".
En 1982, empleando modelos distintos a los de Mukhanov y Chibisov, Hawking llegó esencialmente a las mismas conclusiones. El británico, director de investigación en el Centro de Cosmología Teórica de la Universidad de Cambridge, es probablemente más conocido por sus aportaciones fundamentales a la física de los agujeros negros. La predicción de que los agujeros negros no solo absorben materia y energía sino que además emiten la llamada radiación de Hawking deriva de la aplicación de la teoría cuántica a los agujeros negros, pero carece aún de confirmación experimental.
El trabajo por el que recibe este premio, en cambio "puede considerarse el descubrimiento más importante de los confirmados experimentalmente en la unificación de la física teórica fundamental de partículas con la cosmología", señala el jurado.
La luz fósil del Big Bang
La confirmación experimental de la teoría de que las fluctuaciones cuánticas en el universo recién nacido dieron lugar a las galaxias y las demás acumulaciones de materia proviene del estudio de la llamada radiación cósmica de fondo de microondas. Esta radiación es una luz que llena todo el cielo, invisible al ojo humano pero detectable con sensores específicos. Los astrofísicos la detectaron por primera vez de modo casual en los años sesenta, y descubrieron que contiene una gran cantidad de información sobre cómo era el universo cuando empezó a expandirse. La mera existencia de esta radiación cósmica de fondo se considera una de las más sólidas pruebas a favor del Big Bang, y gracias a ello la investigación del origen del universo es hoy un área de gran actividad.
El análisis en profundidad de la radiación de fondo empezó en los años noventa con el satélite COBE, de la NASA. Un tipo de información que los científicos sabían que debía contener la radiación de fondo tenía que ver precisamente con la formación de las galaxías. Si hoy se observan -como efectivamente ocurre- acumulaciones de materia, hay que suponer que en el principio del universo también hubo irregularidades, por muy pequeñas que fueran. Y esas irregularidades debían estar en la radiación de fondo, medibles en forma de variaciones de temperatura.
La predicción de Mukhanov y Hawking indicaba que el origen de esas irregularidades se debía a fluctuaciones cuánticas, y calculaba cómo se traducirían a variaciones de temperatura en la radiación de fondo. Sin embargo, las medidas de los primeros satélites, aunque consolidaron a grandes rasgos el modelo del Big Bang, tenían un grado de precisión aún demasiado bajo como para confirmar o desmentir la teoría de Mukhanov y Hawking. Lo que Mukhanov llamó ayer "la palabra final" la puso el satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea (ESA), en 2013.
Planck midió la temperatura de la radiación de fondo en toda la esfera celeste con una precisión nunca antes alcanzada -millonésimas de grado-, y pudo así detectar regiones donde esa temperatura variaba ligerísimamente. "Planck ha medido exactamente, "con una precisión del 99,999999...%, lo que habíamos predicho", dice emocionado Mukhanov.
¿Por qué fluctuaciones cuánticas?
Una derivación de la predicción de los galardonados conduce a un aspecto de la teoría del Big Bang que aún no se considera demostrado: la inflación. Así llaman los físicos a un brevísimo periodo nada más iniciada la expansión en que el universo creció de forma mucho más rápida a como lo ha seguido haciendo después. Para Mukhanov, la inflación es la mejor manera de explicar que las fluctuaciones cuánticas crecieron hasta dar lugar a las acumulaciones de materia actuales, pero admite que otros apuestan por hipótesis alternativas.
De lo que no hay duda es de que las fluctuaciones cuánticas existieron: sin ellas no hay manera de explicar las variaciones de temperatura medidas por Planck en la radiación de fondo. Las fluctuaciones cuánticas son una conclusión obligada de uno de los principios sobre los que se sustenta toda la mecánica cuántica: el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.
Este principio dice que no es posible tener una partícula en reposo absoluto en un punto dado: existe siempre una incertidumbre tanto en su posición como en su velocidad. Aplicado a una distribución homogénea de materia, como la que se supone que constituye el universo en sus primeros momentos, el principio de incertidumbre diría que no podemos localizar simultáneamente la materia y su velocidad y que, como consecuencia de ello, se producirían siempre irregularidades; es decir, las citadas fluctuaciones.
