¿Cómo pudo surgir el Big Bang de la nada?

 

¿Cómo pudo surgir el Big Bang de la nada?

"La última estrella se enfriará lentamente y se desvanecerá. Con su paso, el universo volverá a ser un vacío, sin luz ni vida ni sentido". Así lo advertía el físico Brian Cox en la reciente serie de la BBC Universo. El desvanecimiento de esa última estrella solo será el comienzo de una época oscura e infinitamente larga. Toda la materia acabará siendo consumida por monstruosos agujeros negros que, a su vez, se evaporarán en los más tenues destellos de luz. El espacio se expandirá cada vez más hacia el exterior hasta que incluso esa tenue luz se vuelva demasiado dispersa para interactuar. La actividad cesará.

¿O no? Por extraño que parezca, algunos cosmólogos creen que un universo vacío, frío y oscuro como el que se encuentra en nuestro futuro lejano podría haber sido el origen de nuestro propio Big Bang.

La primera materia

Pero antes de llegar a eso, echemos un vistazo a cómo surgió la "materia" -la materia física- por primera vez. Si queremos explicar los orígenes de la materia estable formada por átomos o moléculas, no había nada de eso en el Big Bang, ni durante los cientos de miles de años posteriores. De hecho, tenemos un conocimiento bastante detallado de cómo se formaron los primeros átomos a partir de partículas más simples una vez que las condiciones se enfriaron lo suficiente como para que la materia compleja fuera estable, y cómo estos átomos se fusionaron posteriormente en elementos más pesados dentro de las estrellas. Pero esa comprensión no aborda la cuestión de si algo surgió de la nada.

Así que pensemos más atrás. Las primeras partículas de materia de larga duración fueron los protones y los neutrones, que juntos forman el núcleo atómico. Estas surgieron alrededor de una diezmilésima de segundo después del Big Bang. Antes de ese momento, no había realmente materia en ningún sentido familiar de la palabra. Pero la física nos permite seguir trazando la línea de tiempo hacia atrás, hasta llegar a procesos físicos anteriores a cualquier materia estable.

Esto nos lleva a la llamada "gran época unificada". A estas alturas, nos encontramos en el terreno de la física especulativa, ya que no podemos producir suficiente energía en nuestros experimentos para sondear el tipo de procesos que se daban en esa época. Pero una hipótesis plausible es que el mundo físico estaba formado por una sopa de partículas elementales de corta duración, incluidos los quarks, los componentes básicos de los protones y los neutrones. Había materia y "antimateria" en cantidades más o menos iguales: cada tipo de partícula de materia, como el quark, tiene una compañera de antimateria "imagen en el espejo", que es casi idéntica a ella misma, diferenciándose sólo en un aspecto. Sin embargo, la materia y la antimateria se aniquilan en un destello de energía cuando se encuentran, lo que significa que estas partículas se crean y destruyen constantemente.

Pero, ¿cómo llegaron a existir estas partículas en primer lugar? La teoría cuántica de campos nos dice que incluso el vacío, que supuestamente corresponde a un espacio-tiempo vacío, está lleno de actividad física en forma de fluctuaciones de energía. Estas fluctuaciones pueden dar lugar a la aparición de partículas, para desaparecer poco después. Esto puede parecer un capricho matemático más que física real, pero tales partículas han sido detectadas en innumerables experimentos.

El estado de vacío del espacio-tiempo es un hervidero de partículas que se crean y destruyen constantemente, aparentemente "de la nada". Pero tal vez todo esto nos diga que el vacío cuántico es (a pesar de su nombre) un algo y no una nada. El filósofo David Albert ha criticado de forma memorable los relatos del Big Bang que prometen obtener algo de la nada de esta forma.

Simulación de las fluctuaciones del vacío cuántico en la cromodinámica cuántica. Wikimedia/Ahmed Neutron
Simulación de las fluctuaciones del vacío cuántico en la cromodinámica cuántica. Wikimedia/Ahmed Neutron

Supongamos que nos preguntamos: ¿de dónde surgió el propio espaciotiempo? Entonces podemos seguir retrocediendo el reloj hasta la "época de Planck", un período tan temprano en la historia del universo que nuestras mejores teorías de la física se desmoronan. Esta época ocurrió sólo una diezmillonésima de trillonésima de trillonésima de segundo después del Big Bang. En ese momento, el espacio y el tiempo se vieron sometidos a fluctuaciones cuánticas. Los físicos suelen trabajar por separado con la mecánica cuántica, que rige el micromundo de las partículas, y con la relatividad general, que se aplica a grandes escalas cósmicas. Pero para comprender realmente la época de Planck, necesitamos una teoría completa de la gravedad cuántica que fusione ambas.

Todavía no tenemos una teoría perfecta de la gravedad cuántica, pero hay intentos, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles. En estos intentos, el espacio y el tiempo ordinarios suelen considerarse emergentes, como las olas en la superficie de un océano profundo. Lo que experimentamos como espacio y tiempo es el producto de procesos cuánticos que operan a un nivel microscópico más profundo, procesos que no tienen mucho sentido para nosotros como criaturas arraigadas en el mundo macroscópico.

En la época de Planck, nuestra comprensión ordinaria del espacio y el tiempo se rompe, por lo que tampoco podemos seguir confiando en nuestra comprensión ordinaria de la causa y el efecto. A pesar de ello, todas las teorías candidatas a la gravedad cuántica describen algo físico que ocurría en la época de Planck: algún precursor cuántico del espacio y el tiempo ordinarios. ¿Pero de dónde viene eso?

Incluso si la causalidad ya no se aplica de forma ordinaria, todavía podría ser posible explicar un componente del universo de la época de Planck en términos de otro. Desgraciadamente, a estas alturas incluso nuestra mejor física no consigue dar respuestas. Hasta que no avancemos más hacia una "teoría del todo", no podremos dar ninguna respuesta definitiva. Lo máximo que podemos decir con seguridad en este momento es que la física no ha encontrado hasta ahora ningún caso confirmado de que algo surja de la nada.

Ciclos a partir de casi nada

Para responder realmente a la pregunta de cómo puede surgir algo de la nada, tendríamos que explicar el estado cuántico de todo el universo al principio de la época de Planck. Todos los intentos de hacerlo siguen siendo muy especulativos. Algunos de ellos apelan a fuerzas sobrenaturales como un diseñador. Pero otras explicaciones candidatas permanecen en el ámbito de la física, como un multiverso, que contiene un número infinito de universos paralelos, o modelos cíclicos del universo, que nace y renace de nuevo.

El físico Roger Penrose, ganador del Premio Nobel en 2020, ha propuesto un modelo intrigante pero controvertido para un universo cíclico, denominado "cosmología cíclica conforme". Penrose se inspiró en una interesante conexión matemática entre un estado muy caliente, denso y pequeño del universo -como era en el Big Bang- y un estado extremadamente frío, vacío y expandido del universo -como será en un futuro lejano-. Su teoría radical para explicar esta correspondencia es que esos estados se vuelven matemáticamente idénticos cuando se llevan a sus límites. Por paradójico que parezca, una ausencia total de materia podría haber conseguido dar lugar a toda la materia que vemos a nuestro alrededor en nuestro universo.


Según este punto de vista, el Big Bang surge de una casi nada. Es lo que queda cuando toda la materia de un universo se ha consumido en agujeros negros, que a su vez se han convertido en fotones, perdidos en el vacío. Así, todo el universo surge de algo que -visto desde otra perspectiva física- es lo más parecido a la nada. Pero esa nada sigue siendo una especie de algo. Sigue siendo un universo físico, aunque esté vacío.

¿Cómo puede el mismo estado ser un universo frío y vacío desde una perspectiva y un universo caliente y denso desde otra? La respuesta se encuentra en un complejo procedimiento matemático denominado "reescalado conforme", una transformación geométrica que, en efecto, altera el tamaño de un objeto pero deja su forma inalterada.

Penrose demostró que el estado denso frío y el estado denso caliente pueden relacionarse mediante dicho reescalado, de modo que coincidan en cuanto a las formas de sus espacios-tiempo, aunque no en cuanto a sus tamaños. Hay que reconocer que es difícil entender cómo dos objetos pueden ser idénticos de esta manera cuando tienen tamaños diferentes, pero Penrose sostiene que el tamaño como concepto deja de tener sentido en entornos físicos tan extremos.

En la cosmología cíclica conforme, la dirección de la explicación va de lo viejo y frío a lo joven y caliente: el estado denso y caliente existe debido al estado vacío y frío. Pero este "porque" no es el familiar - de una causa seguida en el tiempo por su efecto. No sólo el tamaño deja de ser relevante en estos estados extremos: el tiempo también. En efecto, el estado denso frío y el estado denso caliente están situados en líneas de tiempo diferentes. El estado frío vacío continuaría para siempre desde la perspectiva de un observador en su propia geometría temporal, pero el estado caliente denso al que da lugar habita efectivamente en una nueva línea de tiempo propia.

Puede ayudar a entender el estado denso caliente como producido a partir del estado vacío frío de alguna manera no causal. Tal vez deberíamos decir que el estado denso caliente emerge de, o se fundamenta en, o es realizado por el estado vacío frío. Se trata de ideas claramente metafísicas que los filósofos de la ciencia han explorado ampliamente, especialmente en el contexto de la gravedad cuántica, donde la causa y el efecto ordinarios parecen romperse. En los límites de nuestro conocimiento, la física y la filosofía se vuelven difíciles de separar.

¿Pruebas experimentales?

La cosmología cíclica conforme ofrece algunas respuestas detalladas, aunque especulativas, a la pregunta de dónde vino nuestro Big Bang. Pero incluso si la visión de Penrose es reivindicada por el futuro progreso de la cosmología, podríamos pensar que todavía no habríamos respondido a una pregunta filosófica más profunda: una pregunta sobre el origen de la propia realidad física. ¿Cómo surgió todo el sistema de ciclos? Entonces acabamos con la pura pregunta de por qué hay algo en lugar de nada, una de las mayores cuestiones de la metafísica.

Pero aquí nos centramos en las explicaciones que permanecen en el ámbito de la física. Hay tres grandes opciones a la pregunta más profunda de cómo empezaron los ciclos. Podría no tener ninguna explicación física. O podría haber ciclos que se repiten sin cesar, cada uno de ellos un universo en sí mismo, con el estado cuántico inicial de cada universo explicado por alguna característica del universo anterior. O podría haber un único ciclo y un único universo que se repitiera, con el comienzo de ese ciclo explicado por alguna característica de su propio final. Los dos últimos enfoques evitan la necesidad de cualquier acontecimiento no causado, lo que les confiere un atractivo especial. Nada quedaría sin explicar por la física.

Ciclos continuos de universos distintos en la cosmología cíclica conforme. Roger Penrose
Ciclos continuos de universos distintos en la cosmología cíclica conforme. Roger Penrose

Penrose prevé una secuencia de nuevos ciclos interminables por razones relacionadas en parte con su propia interpretación preferida de la teoría cuántica. En la mecánica cuántica, un sistema físico existe en una superposición de muchos estados diferentes al mismo tiempo, y sólo "elige uno" al azar, cuando lo medimos. Para Penrose, cada ciclo implica sucesos cuánticos aleatorios que resultan de una manera diferente, lo que significa que cada ciclo será diferente de los anteriores y posteriores. En realidad, se trata de una buena noticia para los físicos experimentales, ya que podría permitirnos vislumbrar el antiguo universo que dio lugar al nuestro a través de débiles rastros, o anomalías, en la radiación sobrante del Big Bang observada por el satélite Planck.

Penrose y sus colaboradores creen haber detectado ya estas huellas, atribuyendo los patrones de los datos de Planck a la radiación de los agujeros negros supermasivos del universo anterior. Sin embargo, sus supuestas observaciones han sido cuestionadas por otros físicos y el jurado sigue sin pronunciarse.

Mapa de la radiación cósmica de fondo. ESA y la Colaboración Planck
Mapa de la radiación cósmica de fondo. ESA y la Colaboración Planck

Los nuevos e interminables ciclos son la clave de la visión del propio Penrose. Pero hay una forma natural de convertir la cosmología cíclica conforme de una forma de varios ciclos a una de un solo ciclo. Entonces, la realidad física consiste en un único ciclo que pasa por el Big Bang hasta un estado de máximo vacío en el futuro lejano, y luego vuelve al mismo Big Bang, dando lugar al mismo universo de nuevo.

Esta última posibilidad es coherente con otra interpretación de la mecánica cuántica, denominada interpretación de los muchos mundos. La interpretación de muchos mundos nos dice que cada vez que medimos un sistema que está en superposición, esta medición no selecciona un estado al azar. En cambio, el resultado de la medición que vemos es sólo una posibilidad, la que se produce en nuestro propio universo. Los demás resultados de las mediciones se producen en otros universos de un multiverso, separado del nuestro. Así que, por muy pequeña que sea la probabilidad de que algo ocurra, si tiene una probabilidad distinta de cero, entonces ocurre en algún mundo cuántico paralelo. Hay gente como usted en otros mundos que han ganado la lotería, o han sido arrastrados a las nubes por un tifón extraño, o se han encendido espontáneamente, o han hecho las tres cosas simultáneamente.

Algunos creen que estos universos paralelos también pueden ser observables en los datos cosmológicos, como huellas causadas por la colisión de otro universo con el nuestro.

La teoría cuántica de los muchos mundos da un nuevo giro a la cosmología cíclica conforme, aunque no uno con el que Penrose esté de acuerdo. Nuestro Big Bang podría ser el renacimiento de un único multiverso cuántico, que contiene infinitamente muchos universos diferentes que ocurren todos juntos. Todo lo posible ocurre, y luego vuelve a ocurrir una y otra vez.

Un antiguo mito

Para un filósofo de la ciencia, la visión de Penrose es fascinante. Abre nuevas posibilidades para explicar el Big Bang, llevando nuestras explicaciones más allá de la causa y el efecto ordinarios. Por tanto, es un gran caso de prueba para explorar las diferentes formas en que la física puede explicar nuestro mundo. Merece más atención por parte de los filósofos.

Para un amante del mito, la visión de Penrose es hermosa. En su forma preferida de varios ciclos, Penrose promete un sinfín de nuevos mundos nacidos de las cenizas de sus antepasados. En su forma de ciclo único, es una sorprendente reinvocación moderna de la antigua idea del ouroboros, o serpiente del mundo. En la mitología nórdica, la serpiente Jörmungandr es hija de Loki, un astuto embaucador, y del gigante Angrboda. Jörmungandr consume su propia cola, y el círculo creado sostiene el equilibrio del mundo. Pero el mito del ouroboros está documentado en todo el mundo, incluso en el antiguo Egipto.

Ouroboros en la tumba de Tutankamón. Djehouty/Wikimedia
 Ouroboros en la tumba de Tutankamón. Djehouty/Wikimedia

El ouroboros del universo cíclico único es realmente majestuoso. Contiene en su vientre nuestro propio universo, así como cada uno de los extraños y maravillosos universos posibles permitidos por la física cuántica, y en el punto en el que su cabeza se encuentra con su cola, está completamente vacío, aunque también está lleno de energía a temperaturas de cien mil millones de billones de grados Celsius. Incluso Loki, el cambiaformas, estaría impresionado.

Fuentes, créditos y referencias:

Este artículo ha sido publicado por The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.

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