3 Teorías que podrían hacer estallar al Big Bang

 El tiempo pudo no haber tenido un principio – y podría no existir en absoluto.

Para Paul Steinhardt y Neil Turok, el Big Bang finalizó en un día de verano de 1999 en Cambridge, Inglaterra. Sentados juntos en una conferencia que habían organizado, llamada “Un adiestramiento sobre la conexión de la física fundamental y la cosmología”, los dos físicos de pronto llegaron a la misma idea. Tal vez la ciencia estaba por fin lista para abordar el misterio de qué hizo estallar al Big Bang. Y si era así, entonces tal vez la ciencia pudiese también enfrentarse a una de cuestiones más profundas: ¿Qué pasó antes del Big Bang?

Steinhardt y Turok — trabajando estrechamente con algunos colegas de su misma opinión — han desarrollado ahora estas visiones en una detallada alternativa a la visión predominante similar al Génesis de la cosmología. De acuerdo con la Teoría del Big Bang, todo el universo surgió durante un único instante hace aproximadamente 13 700 millones de años. En la teoría rival, nuestro universo se genera y regenera a sí mismo en un ciclo infinito de creación. La última versión de modelo cíclico incluso encaja con las piezas clave de evidencias observacionales que apoyan la visión anterior.

Este es el reto más detallado hasta el momento a la ortodoxia de 40 años del Big Bang. Algunos investigadores van más allá y prevén un tipo de tiempo infinito que se desarrolla no sólo en este universo, sino en un multiverso — una multitud de universos, cada uno de los cuales tiene sus propias leyes físicas y su propia historia de la vida. Mientras otros revisan la propia idea del tiempo, interpretando el concepto de “inicio” como algo sin sentido.

Todas estas herejías cosmológicas concuerdan en una cosa: El Big Bang no define por más tiempo el límite de cómo de lejos puede explorar la mente humana.

Gran Idea 1: La increíble masificación

La última elaboración de la cosmología cíclica de Steinhardt y Turok, encabezada por Evgeny Buchbinder del Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Ontario, fue publicada el pasado diciembre. Aún así el impulso detrás de este trabajo es muy anterior a las teorías modernas del universo. En el siglo cuarto, San Agustín se preguntó qué hacía el Señor antes del primer día del Génesis (repitiendo irónicamente la exasperante réplica de “Estaba preparando el Infierno para aquellos que se entrometen demasiado”). La cuestión es que se convirtió en ciencia en 1929, cuando Edwin Hubble determinó que el universo se estaba expandiendo. Extrapolándolo hacia atrás, las observaciones de Hubble sugerían que el cosmos se separaba desde un origen explosivo, el legendario Big Bang.

En el estándar de la interpretación del Big Bang, que tomó forma en los años 60, el evento formativo no fue una explosión que tuvo lugar en algún punto del espacio y del tiempo — fue una explosión de espacio y tiempo. En esta visión, el tiempo no existía con anterioridad. Incluso para muchos investigadores en el campo, ésta fue una píldora difícil de tragar. Es difícil imaginar que el tiempo simplemente comienza: ¿Cómo decide el universo que es hora de saltar a la existencia?

Durante años, cada intento de comprender lo que sucedía en ese momento formativo se encontraba rápidamente con un callejón sin salida. En el modelo estándar del Big Bang, el universo comienza en un estado de densidad y temperatura casi infinitas. En tales extremos las leyes conocidas de la física colapsan. Para recorrer todo el camino de vuelta al inicio del tiempo, los físicos necesitan una nueva teoría, una que fusione la relatividad general con la mecánica cuántica.

Los proyectos para dar sentido al Big Bang comenzaron a mejorarse en los años 90 cuando los físicos refinaron sus ideas en la Teoría de Cuerdas, una prometedora aproximación para reconciliar las visiones de la relatividad y la cuántica. Nadie sabe aún si la Teoría de Cuerdas encaja con el mundo real — el Gran Colisionador de Hadrones, un impactador de partículas que entrará en funcionamiento a finales de este año, puede proporcionar algunas pistas — pero ya ha inspirado algunas ideas sorprendentes sobre cómo está construido el universo. Lo más notable es que las actuales versiones de la Teoría de Cuerdas proponen siete dimensiones ocultas del espacio además de las tres que experimentamos.

Cosas extrañas y maravillosas pueden suceder in esas dimensiones extra: Esto es lo que inspiró a Steinhardt (Universidad de Princeton) y Turok (Universidad de Cambridge) para configurar la fatídica conferencia de 1999. “Organizamos la conferencia porque ambos sentíamos que el modelo estándar del Big Bang fallaba al explicar cosas”, dice Turok. “Queríamos reunir a la gente para hablar sobre lo que la Teoría de Cuerdas podía hacer por la cosmología”.

El concepto clave resultó ser una “brana”, un mundo tridimensional incrustado en un espacio de más dimensiones (el término, en el lenguaje de la Teoría de Cuerdas, es simplemente una abreviatura de membrana). “La gente justo había empezado a hablar de las branas cuando planeamos la conferencia”, recuerda Steinhardt. “Junto, Neil y yo fuimos a una charla donde los ponentes estaban describiéndolas como objetos estáticos. Al terminar ambos hicimos la misma pregunta: ¿Qué pasa si la membrana puede moverse? ¿Qué pasa si colisiona?”

Una notable visión comenzaba a tomar forma en la mente de los dos físicos. Una hoja de papel volando por el aire es un tipo de membrana bidimensional dando vueltas en nuestro mundo tridimensional. Para Steinhardt y Turok, todo nuestro universo es sólo una hoja, o una 3-D brana, moviéndose a través de un fondo de cuatro dimensiones llamado “la masificación”. Nuestra brana no es la única; existen otras moviéndose también por la masificación. Así como dos hojas de papel pueden ser lanzadas una contra otra en una tormenta, distintas 3-D branas podrían colisionar dentro de la masificación.

Las ecuaciones de la Teoría de Cuerdas indican que cada 3-D brana ejercería unas poderosas fuerzas sobre las otras cercanas en la masificación. Vastas cantidades de energía yacen vinculadas en estas fuerzas. Una colisión entre dos branas podrían liberar esas energías. Desde el interior, el resultado parecería una tremenda explosión. Incluso más intrigante, las características teóricas de la explosión encajan de cerca con las propiedades observadas del Big Bang — incluyendo el fondo de microondas cósmico, el brillo del feroz calor del universo en sus primeros días. “Esto es sorprendente para nosotros debido a que significa que las branas en colisión podrían explicar una de las piezas clave en las pruebas que se usan para apoyar el Big Bang”, dice Steinhardt.

Tres años después llegó una segunda epifanía: Steinhardt y Turok encontraron que su historia no finalizaba tras la colisión. “No estábamos buscando ciclos”, dice Steinhardt, “pero el modelo los producía de forma natural”. Tras una colisión, la energía generaba materia en los mundobranas. La materia entonces evoluciona en el tipo de universo que conocemos: galaxias, estrellas, planetas. El espacio entre las branas se expande, y al principio la distancia entre las branas (en la masificación) crece también. Cuando el mundobrana se expande tanto que su espacio está casi vacío, no obstante, las fuerzas atractivas entre las branas arrastran a los mundo-hojas a unirse de nuevo. Tiene lugar una nueva colisión, y un nuevo ciclo de creación comienza. En este modelo, cada ronda de existencia — cada ciclo de una colisión a la siguiente — se alarga aproximadamente un billón de años. Con tal consideración, nuestro universo aún está en su infancia, con apenas un 0,1 por ciento de su camino a lo largo del ciclo actual.

El universo cíclico resuelve directamente el problema del antes. Con una infinidad de Big Bangs, el tiempo se extiende para siempre en ambas direcciones. “El Big Bang no fue el inicio del espacio y el tiempo”, dice Steinhardt. “Hubo un antes, y el antes importa debido a que deja una huella de lo que pasa en el siguiente ciclo”.

No todo el mundo está de acuerdo con esta salida del pensamiento cosmológico habitual. Algunos investigadores consideran que las ideas de Steinhardt y Turok están desencaminadas o son incluso peligrosas. “Un respetado científico me dijo una vez que deberíamos dejarlo porque estábamos minando la confianza del público en el Big Bang”, dice Turok. Pero parte del atractivo del universo cíclico es que no es sólo una idea preciosa – sino que es comprobable.

El modelo estándar de los inicios del universo predice que el espacio está lleno de ondas gravitatorias, olas en el espacio-tiempo dejadas en los primeros instantes tras el Big Bang. Estas olas se ven muy distintas en el modelo cíclico, y esas diferencias podrían medirse — tan pronto como los físicos desarrollen un detector de ondas gravitatorias eficaz. “Pueden pasar 20 años antes de que tengamos la tecnología”, dice Turok, “pero en principio puede hacerse. Dada la importancia de la cuestión, diría que merece la pena de la espera”.

Gran idea 2: La flecha del tiempo

Aunque el concepto de un universo cíclico proporciona una forma de explorar el pasado del Big Bang, algunos científicos creen que Steinhardt y Turok han esquivado el profundo tema de los orígenes. “El problema real no es el inicio del tiempo sino de la flecha del tiempo”, dice Sean Carroll, físico teórico en Caltech. “Buscar un universo que se repite a sí mismo es exactamente lo que no quieres. Los ciclos nos dan un tiempo que fluye en una dirección definida, y la dirección del tiempo es justo lo que necesitamos explicar”.

En 2004 Carroll y su estudiante graduada, Jennifer Chen, aparecieron con una respuesta muy distinta al problema anterior. Desde su visión, la flecha del tiempo y el inicio del tiempo no pueden tratarse de forma separada: No hay forma de abordar lo que sucedió antes del Big Bang hasta comprender por qué el antes precede al después. Así como Steinhardt y Turok, Carroll cree que hallar la respuesta requiere repensar todo el universo, pero Carroll no está satisfecho añadiendo más dimensiones. También quiere añadir más universos — muchísimos más — para demostrar que, a gran escala, el tiempo no fluye sino que avanza simétricamente atrás y adelante.

La progresión del tiempo en una dirección, siempre hacia el futuro, es uno de los grandes enigmas de la física. Las ecuaciones que gobiernan los objetos individuales no se preocupan de la dirección del tiempo. Imagina una película de dos bolas de billar chocando; no hay forma de decir si la película se mueve hacia delante o hacia atrás. Pero si reúnes una enorme cantidad de átomos en algo como un globo, el pasado y el futuro se ven muy distintos. Revienta el globo y las moléculas de aire en su interior rápidamente llenarán todo el espacio; nunca corren hacia atrás para volver a inflar el globo.

En un grupo de objetos tan grande, el sistema tiende hacia el equilibrio. Los físicos usan el término entropía para describir cómo de alejado está un sistema del equilibrio. Cuanto más cerca, mayor es la entropía; el equilibrio completo es, por definición, el valor máximo. Por tanto el camino de una entropía baja (todas las moléculas distribuidas en una esquina de la sala, inestable) a una entropía máxima (las moléculas distribuidas en la sala, estable) define la flecha del tiempo. La ruta al equilibrio separa el antes del después. Una vez se alcanza el equilibrio la flecha del tiempo no tiene sentido, porque no es posible ningún cambio.

“Nuestro universo ha estado evolucionando durante 13 000 millones de años”, dice Carroll, “por lo que claramente no empezó en equilibrio”. En lugar de esto, toda la materia, energía, espacio e incluso el tiempo deben haber comenzado en un estado de entropía extraordinariamente baja. Esta es la única forma en la que podríamos comenzar con un Big Bang y terminar con el cosmos maravillosamente diverso que vemos hoy. Comprende cómo sucedió, argumenta Carroll, y comprenderás el proceso mayor que llevó a nuestro universo a la existencia.

Para demostrar cómo de extraño es nuestro universo, Carroll considera todas las otras formas en las que podría haberse formado. Pensando sobre el rango de posibilidades, se pregunta: “¿Por qué la configuración inicial del universo permitió al tiempo cósmico tener una dirección? Hay un infinito número de formas en que el universo inicial pudo haberse configurado. Una abrumadora mayoría de ellos tienen una entropía alta”. Estos universos de alta entropía serían aburridos e inertes; la evolución y el cambio no serían posibles. Tal universo no podría producir galaxias y estrellas, y ciertamente no podría dar soporte a la vida.

Es casi como si nuestro propio universo estuviese ajustado con precisión para comenzar lejos del equilibrio de tal forma que pudiese poseer una flecha del tiempo. Pero para un físico, invocar el ajuste preciso es similar a decir que “ocurrió un milagro”. Para Carroll, el reto fue encontrar un proceso que explicase la baja entropía del universo de forma natural, sin el llamamiento a una increíble coincidencia o (peor) a un milagro.

Carroll encontró que este proceso oculto en las profundidades de una de las más extrañas y apasionantes elaboraciones recientes de la Teoría del Big Bang. En 1984, el físico del MIT Alan Guth sugirió que el jovencísimo universo había pasado por un periodo de expansión acelerada, que llamó “inflación” y tal expansión había ampliado un pequeño rincón de un universo anterior en todo lo que vemos. A finales de los años 80 Guth y otros físicos, principalmente Andrei Linde, ahora en Stanford, vieron que la inflación podría haber sucedido una y otra vez en un proceso de “inflación eterna”. Como resultado, universos de bolsillo muy similares al nuestro podrían estar surgiendo a partir del fondo no inflacionado a cada momento. Esta multitud de universos fue conocida, inevitablemente, como multiverso.

Carroll encontró en el concepto de multiverso una solución tanto a la dirección como al origen del tiempo cósmico. Había estado meditando sobre la flecha del tiempo desde que se graduó en la universidad a finales de los años 80, cuando publicó artículos sobre la factibilidad del viaje en el tiempo usando la física conocida. La inflación eterna sugiere que no es suficiente con pensar sobre el tiempo sólo en nuestro universo; se dio cuenta de que necesitaba considerarlo en un contexto mucho mayor de multiverso.

“Nos preguntamos si la inflación podría funcionar en ambas direcciones”, dice Carroll. “Eso significa que no sería necesario un único Big Bang. Los universos de bolsillo siempre aparecerían del fondo no inflacionado. El truco necesario para hacer que funcione la inflación eterna era encontrar un punto de inicio genérico: una condición fácil de lograr que sucediera infinitamente muchas veces y permitiese que la inflación eterna fluyese en ambas direcciones”.

Una teoría completa de la inflación eterna llegó a la mente de Carroll en 2004, mientras atendía a un taller de cinco meses de cosmología en el famoso Instituto Kavli de Física Teoría de la Universidad de California en Santa Bárbara junto a su estudiante Jennifer Chen. “Vas a un lugar como Kavli y te ves lejos de las responsabilidades normales de enseñar”, dice Carroll. “Eso te da tiempo para colocar todas las cosas en su sitio”. En esos cinco meses, Carroll y Chen elaboraron una visión de un multiverso derrochador sin inicios, finales ni flechas del tiempo.

“Todo lo que necesitas”, dice Carroll, con la afición de los físicos a la vaguedad, “es empezar con algo de espacio vacío, algo de energía oscura, y paciencia”. La energía oscura — un tipo de energía oculto incrustado en el espacio vacío, cuya existencia está firmemente conformada por observaciones recientes — es crucial debido a que la física cuántica dice que cualquier campo de energía siempre producirá fluctuaciones aleatorias. En la teoría de Carroll y Chen, las fluctuaciones de fondo de la energía oscura actúan como semillas que disparan nuevas rondas de inflación, creando una multitud de universos de bolsillo a partir del espacio vacío.

“Algunos de estos universos de bolsillo colapsarán en agujeros negros y se evaporarán, sacándose a sí mismos de la descripción”, dice Carroll. “Pero otros se expandirán para siempre. Los que se expanden, finalmente se dispersan. Se convierten en nuevo espacio vacío a partir del cual puede empezar de nuevo la inflación”. Todo el proceso puede suceder de nuevo una y otra vez. Sorprendentemente, la dirección del tiempo no importa en el proceso. “Esto es lo divertido. Puedes evolucionar los pequeños universos en inflación en cualquier dirección desde tu punto de inicio genérico”, dice Carroll. En el pasado súper-lejano de nuestro universo, mucho antes del Big Bang, pudo haber otros Big Bangs para los que la flecha del tiempo corriera en la dirección opuesta.

En la mayor escala, el multiverso es como una espuma de universos de bolsillo interconectados, completamente simétricos respecto al tiempo. Algunos universos se mueven adelante, pero en general, un número igual se mueven hacia atrás. Con un espacio infinito de universos, no hay límite a la entropía. Siempre puede aumentar; cada universo nace con un espacio (y entropía) para evolucionar. El Big Bang es sólo nuestro Big Bang, y no es único. La cuestión de antes se esfuma debido a que el multiverso siempre ha existido y siempre lo hará, evolucionando pero – en un sentido estadístico – siempre el mismo.

Tras terminar su artículo sobre el multiverso junto a Chen, Carroll sintió una punzada de disgusto. “cuando terminas algo como eso, es agridulce. La diversión con los problemas difíciles está en la búsqueda”, dice. Afortunadamente para él, la búsqueda continúa. “Nuestro artículo en realidad expresa un punto de vista minoritario”, admite. Ahora está trabajando duro en artículos posteriores desarrollando los detalles y reforzando su argumento.

Gran idea 3: Los Ahoras tienen la solución

En 1999, mientras Steinhardt y Turok se reunían en Cambridge y Carroll meditaba sobre el significado del multiverso, el físico rebelde Julian Barbour publicó The End of Time (El final del tiempo) — un manifiesto que sugería que intentar abordar lo que sucedió antes del Big Bang estaba basado en un error fundamental. No es necesario encontrar una solución al inicio del tiempo, insistía Barbour, debido a que el tiempo no existía en realidad.

En 1963, un artículo en una revista cambió la vida de Barbour. En esa época era un joven estudiante graduado en física encaminándose a un relajante viaje a las montañas. “Yo estudiaba en Alemania y había llevado conmigo un artículo a mis vacaciones en los Alpes Bávaros”, dice Barbour, ahora de 71 años. “Era sobre el gran físico Paul Dirac. Especulaba sobre la naturaleza del espacio y del tiempo en la Teoría de la Relatividad”. Tras terminar el artículo Barbour se quedó con una duda que nunca fue capaz de abandonar: ¿Qué es, en realidad, el tiempo? No podía dejar de pensar en eso. Se dio la vuelta a mitad de camino a las montañas y nunca alcanzó la cima.

“Sabía que podía llevarme años comprender mi pregunta”, recuerda Barbour. “No había forma de que pudiese tener una carrera académica normal, publicando artículo tras artículo, y realmente llegando a ninguna parte”. Con la determinación de un bulldog abandonó la física académica y se asentó en la Inglaterra rural, manteniendo a su familia traduciendo revistas científicas rusas. Treinta y ocho años más tarde, aún vive en la misma casa, ha dado suficientes respuesta para salir de la oscuridad y captar la atención de la comunidad física mundial.

En los años 70 Barbour comenzó a publicar sus ideas en revistas respetadas pero ligeramente poco convencionales, como The British Journal for the Philosophy of Science y Proceedings of the Royal Society A. Continúa enviando artículos, más recientemente con su colaborador Edward Anderson de la Universidad de Cambridge. Los argumentos de Barbour son complejos, pero su idea principal mantiene su simpleza: No existe el tiempo. “Si intentas mantener el tiempo en tus manos, siempre se desliza a través de tus dedos”, dice Barbour con su cautivador encanto inglés. “Mi idea es que la gente no puede capturar el tiempo debido a que no existe en absoluto”.

Isaac Newton pensó en el tiempo como en el flujo de un río que seguía un curso estable. Albert Einstein unificó el espacio y el tiempo en una única entidad, pero aún se mantenía la idea del tiempo como una medida del cambio. Desde la perspectiva de Barbour no hay un río invisible del tiempo. En lugar de esto, piensa que los cambios simplemente crean la ilusión del tiempo, con cada momento individual existiendo por derecho propio, completo y entero. Llama a estos momentos “Ahoras”.

“Cuando vivimos, parece que nos movemos a través de una sucesión de Ahoras. La cuestión es, ¿qué son?”, pregunta Barbour. Su respuesta: Cada Ahora es una configuración de todo en el universo. “Tenemos la fuerte impresión de que las cosas tienen posiciones definidas relativas entre sí. Mi objetivo es abstraerme de todo lo que no podemos ver, directa o indirectamente, y simplemente mantener esta idea de muchas cosas coexistiendo a la vez. Simplemente hay Ahoras, nada más y nada menos”.

Los Ahoras de Barbour pueden imaginarse como páginas de una novela arrancadas de la pasta del libro y lanzadas aleatoriamente sobre el suelo. Cada página es una entidad separada. Colocando las páginas en un orden especial y moviéndolas paso a paso hace que la historia parezca revelarse. Incluso así, no importa cómo ordenemos las hojas, cada página es completa e independiente. Para Barbour, la realidad es sólo la física de estos Ahoras tomados como un conjunto.

“Lo que verdaderamente me intriga es que la totalidad de posibles Ahoras tiene una estructura muy especial”, dice. “Puedes pensar en ellos como un paisaje o país. Cada punto en este país es un Ahora, y llamo al país Platonia”, en referencia al concepto de Platón de una realidad más profunda, “debido a que no tiene tiempo y está creado por reglas matemáticas perfectas. Platonia es la verdadera arena del universo”.

En Platonia todas las posibles configuraciones del universo, cada posible situación de cada átomo, existe de forma simultánea. No existe un pasado que fluye hacia el futuro; la cuestión de lo que hubo antes del Big Bang nunca surge porque en la cosmología de Barbour no hay tiempo. El Big Bang no es un evento en el pasado lejano; es sólo un lugar especial en Platonia.

Nuestra ilusión del pasado surge debido a que cada Ahora en Platonia contiene objetos que aparecen como “registros”, en el lenguaje de Barbour. “La única evidencia que tienes de la semana pasada es tu memoria — pero la memoria procede de una estructura estable de las neuronas en tu cerebro ahora. La única evidencia que tenemos del pasado de la Tierra son las rocas y fósiles — pero estas son sólo estructuras estables en la forma de ordenación de minerales que examinamos en el presente. Todo lo que tenemos son estos registros, y sólo los tenemos en este Ahora”, dice Barbour. En su teoría, algunos Ahoras están vinculados con otros en el paisaje de Platonia incluso aunque existan simultáneamente. Esos vínculos crean la apariencia de una secuencia del pasado al futuro, pero no existe un flujo actual de un Ahora a otro.

“Piensa en los enteros”, dice Barbour. “Cada entero existe simultáneamente. Pero algunos enteros están vinculados en estructura, como el conjunto de todos los primos o los números que se obtienen de la serie de Fibonacci”. Aún así en número 3 no tiene lugar en el pasado del número 5 de la misma forma que el Big Bang tampoco existe en el pasado del año 2008.

Estas ideas pueden sonar a conversaciones de madrugada en una residencia de estudiantes, pero Barbour ha pasado décadas forjándolas en el duero lenguaje de las física matemática. Ha mezclado Platonia con las ecuaciones de la mecánica cuántica para desplegar una descripción matemática de una física “sin cambios”. Con su colaborador irlandés Niall Ó Murchadha de la Universidad Nacional de Irlanda en Cork, Barbour continúa reformulando una versión de la Teoría de Einstein libre del tiempo.

Entonces, ¿Qué sucedió en realidad?

Para cada una de las alternativas al Big Bang, es más fácil demostrar el atractivo de una idea que demostrar que es correcta. La cosmología cíclica de Steinhardt y Turok puede dar cuenta de trozos críticos normalmente citados para apoyar al Big Bang, pero los experimentos que podrían colocarla en la cima están a décadas de distancia. El modelo de Carroll del multiverso depende de una interpretación especulativa de la cosmología inflacionaria, la cual en sí misma está apenas verificada.

Barbour permanece en el extremo más alejado. No tiene forma de comprobar su idea de Platonia. La potencia de sus ideas descansan pesadamente en la belleza de su formulación y en su capacidad de unificar la física. “Lo que estamos resolviendo ahora es simple y coherente”, dice Barbour, “y debido a esto creo que está mostrándonos algo fundamental”.

La recompensa que ofrece Barbour no es sólo una solución matemática sino también filosófica. En lugar de todas las nociones conflictivas sobre el Big Bang y lo que hubo antes, él ofrece una salida. Propone abandonar el pasado — la idea completa de pasado — y vivir plena y felizmente en el Ahora.

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Autor: Adam Frank
Fecha Original: 25 de marzo de 2008
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Fuente: Ciencia Kanija