¿Qué había antes del Big Bang? La explicación de Stephen Hawking sobre lo que existía antes de la aparición del Universo

Redacción
BBC Mundo

7 marzo 2018

Pie de foto,
Stephen Hawking habla de un universo finito pero sin fronteras.

¿Existió algo antes del comienzo de todo?

Más allá de una explicación teológica como "Dios", que satisfaría a los religiosos, los expertos han buscado resolver el enigma que no deja descansar a las mentes más eminentes en la materia.

La ciencia en general acepta la teoría del Big Bang: ese momento, en el que una gran explosión lanzó en todas las direcciones toda la materia que hay y puso a andar el tiempo en un universo que continúa expandiéndose.

Muchos de nosotros todavía podemos tener dificultad para entender de manera racional cómo un diminuto punto, más pequeño que un átomo, contuvo una densidad y energía inimaginables de las cuales brotó todo lo que existe.

El "amanecer del universo": así eran las primeras estrellas que se crearon tras el Big Bang

Pues más difícil aún resulta aún entender qué hubo antes de ese Big Bang.

https://www.bbc.com/mundo/noticias-43303695

¿De dónde salió la materia que explotó en el big bang hace unos 13.800 millones de años?

Las leyes de la física que conocemos dejan de ser válidas muy cerca del origen del Universo

El Campo Profundo del telescopio espacial Hubble

NASA / ESA

ALBA EVA PELÁEZ

02/07/2017 00:05Actualizado a 03/07/2017 16:06

El big bang no es una explosión en el espacio, sino una expansión del propio espacio.

Una explosión tiene un centro a partir del cual la materia se dispersa dentro de un espacio. En cambio, en la teoría del big bang es el propio espacio el que se dispersa, y no desde un punto en particular sino en todas partes y hacia todas direcciones.

Es contradictorio preguntarse dónde estaba antes la materia, porque por definición el big bang es el comienzo del espacio y del tiempo. Aunque sea difícil de imaginar, de momento es el modelo teórico que mejor se ajusta a muchas evidencias observacionales, como la expansión del Universo o la radiación de fondo cósmico.

Horizontal — Fondo de radiación cósmica. Muestra fluctuaciones de temperatura en la radiación de microondas que viene de la época en que el Universo tenía sólo 380.000 años Credito: Telescopio Espacial WMAP

Pero, si antes del big bang no había nada, ¿cómo puede salir algo de la nada? Si extrapolamos la física que conocemos a ese momento, se deduce que la densidad y la temperatura en él debían ser infinitas, lo cual no parece muy posible, así que creemos que las leyes de la física que conocemos dejan de ser válidas muy cerca del big bang. Por eso los encargados de imaginárselo son el departamento creativo de la física: los teóricos. Y los teóricos nos dicen algo que parece muy poco intuitivo: incluso el vacío (la nada) tiene una energía y son las fluctuaciones –o pequeños cambios aleatorios– en esta energía las que muy probablemente acabaron generando la materia.

En efecto, la física cuántica permite que se cree algo de la nada, siempre y cuando dure poco tiempo. Es lo que dice el famoso principio de incertidumbre de Heisenberg. La inflación, una expansión exponencial del Universo que se cree que tuvo lugar casi inmediatamente después del big bang, sería el ingrediente adicional que permitió que esas fluctuaciones permanecieran hasta crear por gravedad las galaxias y cúmulos que vemos hoy día.

Pregunta planteada por Jordi Ortiz

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Cuándo ocurrió

Las últimas mediciones sitúan el origen del Universo hace 13.800 millones de años

Logran explicar lo que sucedió justo antes del Big Bang

Un equipo de investigadores propone una solución para conectar el periodo de inflación del Universo con el Big Bang propiamente dicho

MADRID Actualizado:13/11/2019 17:25hGUARDAR

Hay un agujero en nuestro conocimiento sobre cómo el Universo empezó a existir. Sabemos que, primero, se infló muy rápidamente, durante apenas una fracción de segundo. Y que después estalló dando lugar a lo que conocemos como Big Bang. ¿Pero qué pasó exactamente entre esos dos momentos? La cuestión, durante años, ha sido abordada sin éxito por los científicos. Y ahora un equipo de investigadores del MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts), el Kenyon College, en Ohio, y la Universidad de Leiden, en los Países Bajos, cree haber hallado, por fin, la respuesta. Su trabajo se acaba de publicar en Physical Review Letters.

En el primer período, conocido como inflación, el Universo pasó de ser un simple punto a un espacio un octillón de veces más grande (un uno seguido de 27 ceros).

Y todo en menos de una trillonésima de segundo. Después vino un período de expansión mucho menos rápida, pero violenta, que conocemos como Big Bang. Ese fue el momento en que una bola de fuego incleíblemente caliente de partículas como protones, electrones o neutrones, empezó a expandirse y a enfriarse para formar primero átomos, y después las estrellas y galaxias que podemos ver en la actualidad.

A día de hoy, la teoría del Big Bang sigue siendo la mejor explicación que tenemos (y la más aceptada) de cómo nuestro Universo empezó a existir. Pero seguimos aún sin acertar a saber cómo se conectan esos dos períodos de expansión tan diferentes entre sí. Para resolver el enigma, los investigadores decidieron simular ese crítico periodo de transición, llamado "recalentamiento", que existió brevemente entre la inflación cósmica y el Big Bang propiamente dicho.

El «Bag» en el Big Bang

"El período de recalentamiento posterior a la inflación -explica David Kaiser, profesor de física en el MIT y uno de los autores del trabajo- establece las condiciones para el Big Bang y, en cierto sentido, pone el "Bang" en el Big Bang. Es justo en este período-puente cuando el infierno se desata y la materia empieza a comportarse de un modo que es de todo menos simple".

Durante el brevísimo período inflacionario, todo lo que existía se expandió muy rápidamente, haciendo del Universo un lugar frío y vacío, sin la sopa caliente de partículas necesarias para encender el Big Bang. Pero según Rachel Nguyen, autora principal del estudio, durante el recalentamiento la energía que impulsaba la inflación decayó para formar partículas. Y una vez nacidas, esas partículas empezaron a rebotar y a chocar entre ellas, transfiriéndose energía, recalentando el Universo y estableciendo las condiciones iniciales para el Big Bang.

En su modelo, Nguyen y sus colegas simularon el comportamiento de un tipo exótico de partículas llamadas "inflatones". Los investigadores creen que estas partículas hipotéticas (hasta ahora no han sido descubiertas en laboratorio), similares al bosón de Higgs, crearon el campo de energía que impulsó la inflación. El modelo muestra que, si se dan las condiciones adecuadas, la energía de los inflatones puede redistribuirse y crear la diversidad de partículas necesaria para recalentar el Universo y dar comienzo al Big Bang.

"Cuando simulamos el Universo temprano -dice por su parte Tom Giblin, otro de los autores de la investigación- lo que realmente estamos haciendo es un experimento de partículas a temperaturas muy, muy altas. La transición del periodo inflacionario frío al periodo caliente debería mostrar alguna evidencia clave sobre qué tipos de partículas pueden existir realmente a estas energías tan extraordinariamente altas".

La gravedad

Otra de las preguntas que atormentan desde hace mucho a los físicos es cómo la gravedad podría influir y comportarse en el medio extraordinariamente energético del período inflacionario. En su simulación, Nguyen y sus colaboradores descubrieron que cuanto más aumentaban la fuerza de gravedad, más eficientemente los inflatones transferían la energía necesaria para producir el auténtico zoo de partículas de materia caliente que había durante el Big Bang.

"El Universo guarda muchos secretos codificados de formas muy complejas -explica Giblin a la revista Live Science- . Nuestro trabajo es aprender sobre la naturaleza de la realidad creando dispositivos de decodificación, formas de extraer información del Universo. Usamos simulaciones para hacer predicciones sobre cómo debería ser el Universo para que podamos empezar a decodificarlo. Y ese periodo de recalentamiento debería haber dejado una huella en algún lugar del Universo. Solo necesitamos encontrar esa huella".

Algo que, desde luego, resultará sin duda bastante complicado.

https://www.abc.es/ciencia/abci-logran-explicar-sucedio-justo-antes-bang-201911130942_noticia.html

¿Qué había antes del Big Bang?

Distintas investigaciones proponen que hay una historia anterior a ese instante cero de nuestro universo

ALBERTO CASAS

27 NOV 2015 - 11:17 CET

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Es una pregunta habitual cuando se habla del origen del universo. Y, aunque parezca mentira, no es nueva. Hace 1.600 años, la cuestión fue suscitada en el ámbito teológico: "¿Qué hacía Dios antes de crear los Cielos y la Tierra?". Sin duda una buena pregunta, a la que San Agustín respondió con humor que Dios “preparaba el infierno para los que hacen este tipo de preguntas”. Aparte de esta broma, San Agustín fue más lejos y afirmó, con sagacidad, que no tiene sentido preguntar en qué empleaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo. De forma semejante, la pregunta "¿qué pasó antes del instante inicial?" no tiene mucho sentido. Pero, naturalmente, esto puede parecer un mero juego de palabras. Nuestra intuición nos dice que cada instante está precedido por otro, por lo que la idea de un "instante inicial", parece absurda. El problema es que nuestra intuición se basa en nuestra experiencia directa, y esa experiencia es muy limitada. En cuanto nos salimos de las escalas físicas humanas", nuestra intuición suele fallar clamorosamente.

Por ejemplo, a los pensadores de todas las civilizaciones antiguas (con la maravillosa excepción de la griega) les pareció evidente que la Tierra debía ser plana. Estaban extrapolando, erróneamente, la percepción que tenemos cuando nos desplazamos en distancias no mucho mayores que unas decenas de kilómetros. Por supuesto, ahora sabemos que, vista globalmente, la Tierra es redonda. Del mismo modo, el espacio y el tiempo, cuando se consideran globalmente, son muy diferentes de como los percibimos en nuestra experiencia ordinaria.

La teoría

La teoría del Big Bang se basa, a su vez, en la teoría general de la relatividad, formulada por Albert Einstein en 1915, y que representa una de las cumbres del pensamiento humano. Según la teoría de la relatividad, el espacio y el tiempo no son, como podría parecer, magnitudes inertes e inmutables. Por el contrario, el espacio-tiempo, como un todo, se puede estirar y encoger, curvar y retorcer. Su textura se parece más a la de la goma que a la del cristal. Y su geometría está determinada por la materia y energía que contiene. Todo esto son conceptos revolucionarios y fascinantes. El espacio y el tiempo no son el escenario impasible de un gran teatro, dentro del cual tiene lugar una representación. La teoría nos dice que la forma de ese teatro y su evolución temporal están determinados por los actores que pululan dentro de él, es decir, la materia y energía que pueblan el universo.

Es importante subrayar que la teoría de la relatividad no es una mera especulación. Sus predicciones se han comprobado en una enorme variedad de situaciones físicas, hasta el momento sin un solo fallo. Pensemos, por ejemplo, que, desde el punto de vista relativista, algo tan familiar como la fuerza de la gravedad es simplemente la consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo, producida a su vez por la presencia de grandes masas, como planetas y estrellas. De hecho, la teoría de Einstein predice que las fuerzas gravitatorias han de ser tal como prescribe la venerable ley de la gravitación de Newton... con pequeñas correcciones (a veces no tan pequeñas). Y hasta ahora la naturaleza, "cuando ha tenido que elegir", siempre ha dado la razón a Einstein frente a Newton.

Pues bien, cuando se aplica la teoría de la relatividad al universo como un todo, se encuentra que, necesariamente, este ha de pasar por una fase de expansión; es decir, el espacio mismo (con todo su contenido) ha de expandirse, igual que se hincha un pastel en el horno. Vista con los ojos de la teoría de Einstein, la expansión del universo se produce porque el espacio entre las galaxias está dilatándose; o, en otras palabras, se está creando espacio entre ellas. No solo eso, sino que el universo entero que observamos hubo de surgir de un solo punto, en un instante inicial denominado Big Bang.

Por supuesto, los conceptos anteriores no son fáciles de visualizar. Podemos intentarlo utilizando un modelo de universo simplificado, de una sola dimensión espacial (en vez de las tres ordinarias) y una temporal (el tiempo ordinario). En esta imagen, el espacio-tiempo del universo tendría una forma parecida a un gigantesco dedal, como el de la figura. En ese dibujo el tiempo avanza hacia arriba. Cada sección circular del dedal (es decir cada anillo) representa el universo en un instante dado. A medida que avanza el tiempo (y por tanto subimos por la superficie del dedal), los anillos son cada vez más grandes, como consecuencia de la expansión del universo.

El vértice inferior del dedal corresponde al Big Bang: el instante cero, en el que todo el universo estaba comprimido en un punto. En esta imagen, viajar imaginariamente hacia atrás en el tiempo significa deslizarnos hacia abajo por la superficie del dedal. Pero, si una vez alcanzado el instante inicial (Big Bang) intentáramos proseguir en la misma dirección, encontraríamos que regresamos hacia adelante en el tiempo. Es como si paseando por la superficie terrestre nos dirigimos hacia el Sur. En nuestras pequeñas escalas podemos seguir caminando en esa dirección de forma indefinida, pero si llegáramos a alcanzar el polo Sur terrestre, comprobaríamos que no es posible ir más allá. Si insistimos en continuar nuestro viaje, nos encontraremos caminando en dirección Norte.

Notemos que en el dibujo, la superficie de dos dimensiones, que representa el espacio-tiempo, está inmersa en un espacio de tres dimensiones. Esto es consecuencia de una limitación de nuestro cerebro para imaginar superficies curvadas: tenemos que representarlas sumergidas en un espacio tridimensional. Pero matemáticamente no hay ninguna dificultad para formular una superficie o un espacio curvos, sin tener que recurrir a un mundo de dimensionalidad mayor. En nuestro ejemplo, la superficie en forma de dedal que representa el espacio-tiempo no tiene por qué estar sumergida en otro espacio de más dimensiones. Es un universo consistente en sí mismo.

Por tanto, la respuesta a la pregunta "¿qué había antes del Big Bang?" es que nunca hubo un "antes del Big Bang”. ¿Fin de la historia? Podría ser, pero no es seguro.

Incógnitas

Hagamos una pregunta alternativa a la que da título a este artículo: ¿Es fiable la descripción que la teoría del Big Bang hace del origen del universo hasta el preciso instante inicial? Podemos decir que desde un segundo después del Big Bang en adelante, la descripción de la teoría es muy fiable, ya que en ese momento comenzó el proceso de nucleosíntesis primitiva, del que tenemos pruebas experimentales, concretamente la producción de elementos ligeros (como helio o litio) que pueblan el universo en las cantidades predichas por la teoría. Para instantes anteriores, hay que pensar que cuanto más reciente era el universo, a mayor temperatura estaba. Por tanto, una descripción fiable de lo que sucedió exige conocer cómo se comporta la materia a altísimas temperaturas. La física de partículas proporciona una teoría, el llamado Modelo Estándar, que describe con extraordinario éxito el comportamiento de las partículas hasta energías equivalentes a una temperatura de mil billones de grados.

Nuestra intuición nos dice que cada instante está precedido por otro, por lo que la idea de un "instante inicial", parece absurda

Esto corresponde aproximadamente a una cienmilmillonésima de segundo después del Big Bang. En consecuencia, aunque no disponemos de pruebas experimentales, podemos remontarnos hasta ese instante con bastantes garantías. Pero si seguimos acercándonos al instante inicial, ni siquiera disponemos de una teoría fiable. Es más, la propia teoría general de la relatividad, en su versión tradicional, muestra inconsistencias matemáticas en esas condiciones extremas. Por esta y otras razones, es una creencia extendida entre los físicos teóricos que la teoría necesita modificaciones. Y cuando se disponga de una teoría aún mejor, podría ser que encontremos sorpresas en torno al instante inicial. Pero, incluso sin salirnos del marco teórico actual, existen modelos interesantes que hacen pensar en una historia anterior al Big Bang. Quede claro sin embargo que aquí entramos ya en el terreno de la especulación.

Modelos

El llamado modelo de universo inflacionario se basa en una hipótesis sobre lo que pudo haber ocurrido en la época más remota del universo. La idea es que algún tipo de campo se hallaba fuera de su mínimo de potencial. En otras palabras, el valor del campo no era el que hacía que su energía fuera mínima. Esta situación también se denomina como "falso vacío". Las ecuaciones de la relatividad predicen que, en una circunstancia así, el universo se expandiría de forma vertiginosa, multiplicando su volumen muchos billones de billones de veces en una pequeñísima fracción de segundo. Cuando finalmente el valor del campo cayó a su mínimo, es decir al vacío verdadero, toda la energía acumulada en él se transformó en la materia y energía que hoy llena el universo.

San Agustín afirmó, con sagacidad, que no tiene sentido preguntar en qué empleaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo

Hay que decir que el universo inflacionario es algo más que una pura especulación, puesto que ha cosechado grandes éxitos, por ejemplo la predicción correcta de la densidad de materia y energía que realmente presenta nuestro universo. Si el modelo es correcto, en su época más primitiva el universo se expandía de forma desbocada y solo contenía ese campo primigenio. Entonces, en ciertos puntos, al azar, el campo cayó a su valor de mínimo, es decir al vacío verdadero. En estos puntos se formaron “burbujas” de vacío verdadero que empezaron a crecer. Cada burbuja corresponde a un Big Bang “ordinario”, que da lugar a un universo independiente. En este escenario, nuestro universo no es más que una pequeña burbuja que se enciende y se apaga, inmersa en un universo global que se expande salvajemente. No queda claro en el modelo cuándo y cómo fue el inicio de ese universo global del que surgió nuestra burbuja, es decir cómo fue el verdadero instante inicial (en contraposición a nuestro "Big Bang doméstico").

Hay modelos altamente especulativos (y controvertidos) basados en la teoría de cuerdas, que recuperan la antigua idea de un universo cíclico

Mencionemos también que hay modelos, altamente especulativos (y controvertidos) basados en la teoría de cuerdas, que recuperan la antigua idea de un universo cíclico, denominado en esta versión universo ecpirótico, en una forma sofisticada e invocando la existencia de dimensiones extras. En estos modelos, la fase de expansión del universo está precedida por una fase de contracción, que da lugar a una especie de rebote cósmico. Este esquema podría continuar de forma indefinida, es decir, el universo actual podría terminar en una contracción global, que, tras un nuevo rebote, diera lugar a un nuevo Big Bang, y así sucesivamente, tanto hacia adelante en el tiempo como hacia atrás.

En conclusión, posiblemente no hubo nunca un "antes del Big Bang", lo que en sí mismo no supondría una contradicción lógica. Sin embargo, el preciso instante inicial está bajo sospecha teórica, y hay modelos interesantes que proponen una historia anterior a ese instante cero de nuestro universo.

Alberto Casas es profesor de Investigación del CSIC en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC

https://elpais.com/elpais/2015/11/17/ciencia/1447754148_458128.html

La evolución del cosmos después del Big Bang. NASA

¿Cómo pudo surgir de la nada el Big Bang?

Publicado: 18 enero 2022 21:44 CET

Autoría

Alastair Wilson
Professor of Philosophy, University of Birmingham

Cláusula de Divulgación

Alastair Wilson recibe financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención nº 757295), y del Consejo Australiano de Investigación (acuerdo de subvención nº DP180100105).

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“La última estrella se irá enfriando poco a poco y al final se desvanecerá. Con su muerte el universo volverá a ser un lugar vacío carente de luz, vida o significado”.

Así fue la advertencia del físico Brian Cox en un episodio emitido recientemente de la serie Universe, de la BBC. La muerte de la última estrella será solo el principio de una era infinitamente prolongada y oscura. Toda la materia terminará siendo devorada por monstruosos agujeros negros, que posteriormente se evaporarán hasta quedar reducidos a tenues destellos de luz. El espacio se expandiría infinitamente hacia afuera hasta que incluso esos tenues destellos luminosos quedarán demasiado diseminados como para interactuar de alguna forma. No habrá ningún tipo de actividad.

¿O quizá sí? Aunque resulte bastante extraño, algunos cosmólogos creen que hubo un universo oscuro y vacío, muy similar al que habrá en un futuro lejano, que podría haber estado en el origen de nuestro propio big bang.

La materia primera

Pero antes de llegar a eso veamos cómo ese “material” (es decir, esa materia física) surgió por primera vez. Si lo que pretendemos es explicar el origen de la materia estable compuesta por átomos o moléculas, realmente no había nada de eso durante el big bang (ni tampoco durante los cientos de miles de años que le siguieron). Lo cierto es que poseemos un conocimiento bastante detallado sobre cómo los primeros átomos se formaron a partir de partículas más simples una vez que las condiciones se enfriaron lo suficiente para que la materia compleja pudiera ser estable, y también sobre cómo estos átomos se fundieron más tarde con elementos más pesados dentro de las estrellas. Pero ese conocimiento no contesta a la pregunta de cómo algo pudo surgir de la nada.

Remontémonos entonces un poco más atrás. Las primeras partículas de materia de existencia prolongada de cualquier tipo fueron los protones y los neutrones, que al unirse forman el núcleo del átomo. Estos empezaron a existir aproximadamente una diezmilésima de segundo después de que se produjera el big bang. Antes de ello, en realidad, no había ningún tipo de material en ninguno de los sentidos habituales del término. Pero la física nos permite remontarnos aún más atrás en el tiempo, hasta los procesos físicos que precedieron la existencia de la materia estable.

Esto nos lleva a la denominada “gran época unificada”, lo que nos lleva a su vez a entrar de lleno en el ámbito de la física especulativa, ya que en nuestros experimentos no podemos generar la energía suficiente como para reproducir el tipo de procesos que en ese momento estaban teniendo lugar. Pero una hipótesis plausible es que en ese momento el mundo físico estaba compuesto por una mezcolanza de partículas elementales de existencia limitada entre los que se encontraban los quarks, es decir, las unidades fundamentales que conforman los protones y los neutrones. Había tanto materia como antimateria, y en cantidades prácticamente equivalentes. Cada tipo de partícula de materia, como por ejemplo un quark, tenía una contraparte de antimateria, una “imagen espejo” que era prácticamente idéntica a ella, y que solo difería en un aspecto. Sin embargo, la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente en una explosión de energía cuando se encuentran, lo que significa que estas partículas se creaban y se destruían de forma constante.

¿Pero cómo empezaron a existir estas partículas? La teoría cuántica de campos nos dice que incluso en un vacío que supuestamente pudiera corresponderse con unos valores espacio-temporales nulos está plagado de actividad física, y que dicha actividad se manifiesta bajo la forma de fluctuaciones energéticas. Estas fluctuaciones pueden hacer que aparezcan partículas, que sin embargo desaparecen poco después. Todo esto podría sonar más a excentricidad matemática que a física real, pero dichas partículas han sido detectadas en innumerables experimentos.

El estado de vacío espacio-temporal se ve alterado por partículas que se crean y se destruyen de forma constante, y que aparentemente “surgen de la nada”. Pero quizá lo que de verdad nos diga todo esto es que el vacío cuántico, a pesar de su nombre, es algo en lugar de nada. El filósofo David Albert es el autor de una célebre crítica a los enfoques sobre el big bang que, apoyándose en esta teoría, prometen explicar cómo algo pudo surgir de la nada.

Imagen de una simulación de fluctuaciones cuánticas de vacío. — Simulación de fluctuaciones cuánticas de vacío en cromodinámica cuántica. Wikimedia/Ahmed Neutron

Imaginemos que nos preguntamos de dónde surgió el espacio-tiempo. En ese caso podríamos seguir remontándonos aún más atrás, a la realmente arcaica “Época de Planck”, un periodo tan temprano de la historia del universo que desafía nuestras mejores teorías físicas. Esta época abarcó solo una diez millonésima de una billonésima de una billonésima de una billonésima de segundo después del big bang. En este punto tanto el tiempo como se espacio se convirtieron ellos mismos en sujetos de las fluctuaciones cuánticas. Los físicos normalmente trabajan al margen de la mecánica cuántica, que rige el micromundo de las partículas, y también de la relatividad general, que se aplica a las grandes escalas cósmicas. Pero para entender realmente la Época de Planck necesitaríamos una teoría unificada de la gravedad cuántica que fusionara ambas.

Todavía no tenemos una teoría de la gravedad cuántica perfecta, pero hay propuestas como la de la teoría de cuerdas o la de la gravedad cuántica de bucles. En estas propuestas el tiempo y el espacio ordinarios generalmente se conciben como elementos emergentes, como las olas en la superficie de un océano profundo. Y es que lo que experimentamos como espacio y tiempo es el producto de procesos cuánticos que operan a niveles más profundos, microscópicos; procesos que no tienen demasiado sentido para nosotros, que somos criaturas asentadas en el mundo macroscópico.

En la Época de Planck nuestro conocimiento ordinario sobre el espacio y el tiempo salta por los aires, de manera que tampoco podemos seguir aplicando la lógica ordinaria de las relaciones causa-efecto. A pesar de ello, todas las teorías posibles del campo de la gravedad cuántica sostienen que había algún tipo de sustancia física durante la Época de Planck; algún tipo de precursor cuántico del espacio y el tiempo ordinarios. Pero, ¿de dónde procedía eso?

Incluso si tenemos en cuenta que en la Época de Planck la causalidad no funcionaba de ninguno de los modos habituales, aún así habría sido posible explicar uno de los componentes del universo en términos de su correspondencia con otro. Por desgracia, en la actualidad incluso nuestros mejores físicos fracasan rotundamente a la hora de proporcionarnos respuestas a este respecto; hasta que no hagamos mayores progresos hacia una “teoría del todo” seremos incapaces de ofrecer una respuesta definitiva. Lo más que podemos decir con certeza en este momento es que, hasta ahora, la física no ha detectado ejemplos confirmados de que algo pueda surgir de la nada.

Ciclos que surgen casi de la nada

Para poder contestar realmente a la pregunta de cómo algo puede surgir de la nada necesitaríamos poder explicar el estado cuántico del conjunto del universo durante el inicio de la Época de Planck. Todos los intentos para llevar a cabo esta tarea siguen siendo altamente especulativos, e incluso hay algunos que apelan a la existencia de fuerzas sobrenaturales como un arquitecto del universo. Pero hay otras teorías que se mantienen dentro del ámbito de la física, como la del multiverso (según la cual éste contiene un número infinito de universos paralelos) o la de los modelos cíclicos del universo (que nacería y volvería a nacer una y otra vez).

Roger Penrose, ganador del Nobel de Física de 2020, ha propuesto un modelo de universo cíclico sugerente, aunque también controvertido, denominado “cosmología cíclica conforme”. Penrose se inspiró en una interesante conexión matemática entre un estado del universo muy cálido, denso y pequeño (que es como estaba en el big bang) y un estado del universo extremadamente frío, vacío y expandido (que es como estará en un futuro lejano). Su radical teoría para explicar esta correspondencia se sustenta en que dichos estados se volvieron matemáticamente idénticos cuando alcanzaron sus respectivos límites. Por paradójico que esto pueda resultar, una ausencia total de materia podría haber provocado el surgimiento de toda la materia que hoy vemos a nuestro alrededor en el universo.

Desde este punto de vista, el big bang habría surgido casi de la nada; es lo que habría quedado después de que toda la materia del universo hubiera sido engullida por agujeros negros que posteriormente se habrían evaporado generando fotones que vagarían por el vacío. De este modo, todo el universo habría surgido de algo que, visto desde otra perspectiva física, sería lo más cerca que podríamos aproximarnos a la nada absoluta. Pero esa nada aún seguiría siendo algo; seguiríamos hablando de un universo físico, aunque estuviera vacío.

¿Pero cómo es posible que el mismo estado del universo sea frío y vacío desde una perspectiva y caliente y denso desde otra? La respuesta se halla en un complejo procedimiento matemático denominado “reescalado conforme”, una transformación geométrica que altera el tamaño de un objeto, pero no así su forma.

Penrose demostró cómo el estado frío y denso, por un lado, y el cálido y denso, por otro, podían relacionarse a través de esos reescalados de tal modo que podían corresponderse a través de las formas de sus respectivos espacio-tiempos, aunque no de sus tamaños. Lo cierto es que resulta difícil entender cómo dos objetos pueden ser idénticos según esta teoría cuando sus tamaños son diferentes, pero Penrose argumenta que el tamaño como concepto deja de tener sentido en unos medios físicos tan extremos.

En la cosmología cíclica conforme, la dirección de las explicaciones va de lo viejo y frío a lo joven y caliente: el estado denso y cálido existe porque también lo hace el frío y vacío. Pero este “porque” no tiene el significado habitual (el de una causa seguida en el tiempo por su efecto). No es solo que el tamaño deje de ser relevante en estos estados extremos; es que también deja de serlo el tiempo. De hecho, el estado frío y denso y el estado cálido y denso se sitúan en líneas temporales diferentes. El estado frío y vacío continuaría de forma indefinida en su propia geometría temporal desde la perspectiva de un observador, pero potenciaría que el estado denso y cálido ocupara una nueva línea temporal.

Para tratar de entender que el estado denso y cálido es producto del frío y vacío puede resultar de ayuda enfocar la cuestión desde algún tipo de perspectiva no causal. Quizá podríamos afirmar que el estado denso y cálido surge de, o está enraizado en, o es descubierto por, el estado frío y vacío. Se trata de ideas típicamente metafísicas que han sido desarrolladas en profundidad por filósofos de la ciencia, especialmente en el ámbito de la gravedad cuántica, donde se rompe la lógica clásica del causa-efecto. Y es que, cuando alcanzamos los límites del conocimiento, resulta difícil deslindar la física de la filosofía.

¿Evidencia experimental?

La cosmología cíclica conforme ofrece respuestas detalladas, aunque especulativas, a la cuestión de de dónde surgió nuestro big bang. Pero, aunque las teorías de Penrose fueran validadas por los futuros adelantos de la cosmología, cabría pensar que seguimos sin ser capaces de dar respuesta a una pregunta filosófica más profunda; la pregunta sobre de dónde proviene la propia realidad física. Es decir, la cuestión de cómo funciona todo el sistema de ciclos.

De este modo, terminamos enfrentándonos a la pregunta descarnada de por qué hay algo en lugar de nada (que por otro lado es una de las grandes cuestiones metafísicas).

Pero aquí nos queremos centrar en las explicaciones que se limitan al ámbito de la física. Hay tres grandes opciones sobre la pregunta fundamental de cómo empezaron los ciclos. Podría no haber ningún tipo de explicación física. O podría tratarse de ciclos infinitamente repetidos, cada uno de los cuales conformaría por sí mismo un universo, en los que el estado cuántico inicial de cada universo sería consecuencia de alguna característica del universo anterior. O podría haber un solo ciclo con un solo universo que se repitiera, de tal modo que el inicio del ciclo explicara de algún modo su propio fin. Las dos últimas opciones no precisan de una causalidad concreta, lo que les otorga un atractivo especial. Y es que, de este modo, nada quedaría al margen de una explicación puramente física.

Imagen de los ciclos continuos de Penrose correspondientes a los distintos universos. — Los ciclos continuos correspondientes a los distintos universos de la cosmología cíclica conforme. Roger Penrose

Penrose concibió una secuencia infinita de nuevos ciclos impulsado por una serie de razones en parte ligadas a la interpretación sobre la teoría cuántica que él creía más acertada. En la mecánica cuántica un sistema físico existe en una superposición de varios estados diferentes a la vez y solo “elige” uno de forma aleatoria cuando lo medimos. Para Penrose, cada ciclo implica eventos cuánticos aleatorios que se producen de diferente manera, lo que quiere decir que cada ciclo será diferente tanto del anterior como del siguiente. Esto realmente supone una buena noticia para los físicos experimentales, ya que nos permitiría entrever el viejo universo que dio lugar al nuestro a través de huellas borrosas, o anomalías, en la radiación sobrante generada por el big bang que puede observar el satélite Planck.

Penrose y sus colaboradores creen que podrían haber detectado ya estas trazas en la información suministrada por el satélite Planck sobre la radiación emitida por agujeros negros supermasivos en un universo previo. Sin embargo, la validez de estas observaciones ha sido puesta en duda por otros físicos, por lo que seguimos sin una certeza absoluta.

Mapa de la radiación cósmica de fondo de microondas. ESA and the Planck Collaboration

La sucesión indefinida de nuevos ciclos resulta fundamental en la teoría de Penrose. Pero en la cosmología cíclica conforme se puede pasar con naturalidad de un modelo multiciclo a otro de un solo ciclo. En este último caso la realidad física consistiría en un solo ciclo que abarcaría desde el big bang hasta un estado de vacío máximo en el futuro lejano… Y luego volvería a producirse ese mismo big bang, que daría lugar a un universo idéntico una y otra vez.

Esta última posibilidad es compatible con otra interpretación de la mecánica cuántica, la denominada “interpretación de los universos múltiples”. Esta sostiene que cada vez que medimos un sistema que se encuentra en una superposición, esta medición no selecciona un estado de forma aleatoria. En lugar de ello, el resultado de la medida que observamos es solo una posibilidad (aquella que se desarrolla en nuestro propio universo). Los otros resultados de las medidas se desarrollan en otros universos del multiverso, que en efecto son completamente independientes del nuestro. De ahí que no importe lo pequeña que sea la posibilidad de que algo ocurra, ya que, si esta no es cero, habrá ocurrido en algún otro de los mundos paralelos cuánticos. Existe gente exactamente como usted que ha ganado la lotería, que ha sido arrastrada a las nubes por un tifón terrorífico, que ha sufrido una combustión espontánea, o a la que le han ocurrido las tres cosas a la vez.

Algunas personas creen que esos universos paralelos también podrían ser observables en términos de datos cosmológicos, como huellas provocadas por otro universo que estuviera colisionando con el nuestro.

La teoría cuántica de los universos múltiples le puede aportar un nuevo enfoque a la cosmología cíclica conforme, aunque no uno con el que Penrose esté de acuerdo. Nuestro big bang pudo suponer el segundo nacimiento de un solo multiverso cuántico que contuviera un número infinito de universos diferentes que existieran de forma simultánea. Todo lo posible termina ocurriendo (y luego volvería a ocurrir una, y otra, y otra vez).

Un antiguo mito

Para un filósofo de la ciencia, la propuesta de Penrose resulta fascinante. Abre nuevas posibilidades de explicación del big bang debido a que lleva nuestros razonamientos más allá de la lógica habitual causa-efecto. Hablamos, por tanto, de un gran punto de partida para explorar las diferentes formas en que la física puede explicar nuestro mundo y que merece, por tanto, más atención por parte de los filósofos.

Para un amante de los mitos, además, la propuesta de Penrose resulta hermosa. En su posibilidad cuántica preferida, la de los ciclos continuos, yace la promesa de una serie infinita de nuevos mundos que nacerán de las cenizas de sus antecesores. Y en la posibilidad del ciclo único, se trata de una impresionante reelaboración de la antigua concepción del uróboro o mundo serpiente. En la mitología nórdica la serpiente Jörmungandr es hija de Loki, un astuto timador, y de la gigante Angrboda. Jörmungandr devora su propia cola, y el círculo que crea al hacerlo sostiene el equilibrio del mundo. Pero el mito del uróboro ha sido representado por culturas de todo el mundo, incluidas algunas tan arcaicas como la del antiguo Egipto.

Imagen de un uróboro de piedra tallado en la tumba de Tutankamón — Un uróboro en la tumba de Tutankamón. Djehouty/Wikimedia

El uróboro que supondría un universo cíclico único es majestuoso de por sí. En su tripa contendría tanto nuestro propio universo como el resto de inquietantes y maravillosos universos posibles alternativos que contempla la física cuántica. Y el punto en el que la cabeza se encuentra con la cola supondría un vacío absoluto, pero al mismo tiempo un espacio repleto de energías a temperaturas de cientos de miles de millones de millares de millones de billones de grados Celsius. Hasta Loki, el que cambia de forma, estaría impresionado.

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Un uróboro en la tumba de Tutankamón. Djehouty/WikimediaEl uróboro que supondría un universo cíclico único es majestuoso de por sí. En su tripa contendría tanto nuestro propio universo como el resto de inquietantes y maravillosos universos posibles alternativos que contempla la física cuántica. Y el punto en el que la cabeza se encuentra con la cola supondría un vacío absoluto, pero al mismo tiempo un espacio repleto de energías a temperaturas de cientos de miles de millones de millares de millones de billones de grados Celsius. Hasta Loki, el que cambia de forma, estaría impresionado.

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