La eterna danza en la historia del Universo - Pedro Naranjo Pérez

10.1

La eterna danza en la historia del Universo.

El filo de la eternidad.

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(Voz Eneko Saiz)

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En su influyente libro Cosmos hace cuatro décadas, Carl Sagan nos describe, en su inconfundible manera apasionada, el origen del Universo como fruto de una explosión cataclísmica, el famoso Big Bang. El razonamiento para deducir que dicha explosión realmente sucedió es el defendido por los cosmólogos del siglo XX: el corrimiento hacia el rojo observado de manera abrumadora indica la expansión del Universo, de modo que, si "rebobinamos la película hacia atrás", en algún instante pasado toda la materia del Universo tuvo que concentrarse en una región de tamaño nulo. Y ese instante se asocia con el momento del Big Bang. Además, se puede añadir otro hecho que parece corroborar el análisis, a saber, la existencia de la radiación cósmica de microondas, cuya temperatura permanece constante independientemente de la dirección en la que apuntemos los telescopios. Si en un instante toda la materia estuvo unida, compartiendo temperatura, es natural suponer que la evolución posterior del Universo mantenga la misma temperatura, en un instante dado, para todas las regiones (únicamente que el valor concreto de la temperatura disminuye por la expansión).

Brevemente, éstos son los dos motivos por los que la mayoría de los cosmólogos en tiempos de Sagan consideraba que el Big Bang es un hecho, y no simplemente una hipótesis compatible con las observaciones. Cuarenta años después, probablemente la mayoría siga compartiendo la idea, pero ahora ya tenemos muchas voces críticas. Aunque hay variantes, el razonamiento que subyace la crítica al Big Bang es el siguiente: cuando "rebobinamos la película hacia atrás", damos por hecho que la física clásica (en concreto, la relatividad general de Einstein) domina la descripción del Universo indefinidamente, incluso cuando alcanza tamaños de escala molecular/atómica. Sin embargo, sabemos desde inicios del siglo XX (es decir, ¡incluso antes del desarrollo de la teoría del Big Bang!) que las escalas molecular y atómica ya no pertenecen al dominio clásico, sino al cuántico. Por tanto, resulta algo incoherente seguir usando la física clásica en la descripción del Universo cuando éste ha alcanzado escalas propias de la física cuántica. Hoy día, varios grupos de investigación estudian cómo la incorporación de la física cuántica modifica la historia convencional: el resultado común es que los efectos cuánticos generan un Big Bounce (Gran Rebote) de forma que el tamaño del Universo nunca llega a cero, sino que alcanza un tamaño mínimo y, a partir de ahí, empieza a expandirse de nuevo. Resaltar que la evidencia observacional actual es compatible con ambos modelos: en la película hacia atrás, hay un instante anterior al cual no tenemos evidencia observacional de nada. Pues bien, los efectos cuánticos son relevantes antes (de hecho, ¡mucho antes!) de dicho instante. Por tanto, aunque hasta este instante la descripción convencional con el Big Bang y la que introduce el Big Bounce son diferentes, ambas coinciden a partir de tal instante, así que ambas predicen correctamente la estructura del Universo para la cual sí tenemos evidencia observacional. Ahora bien, con el desarrollo de métodos cada vez más precisos, se espera que se manifiesten discrepancias con la teoría del Big Bang, ya que ésta, por muy exitosa que haya sido hasta la fecha, no deja de ser una teoría clásica. Actualmente, existe un esfuerzo experimental por todo el mundo para tratar de detectar la más mínima evidencia a favor de escenarios alternativos al Big Bang. Si uno toma en serio la idea del Big Bounce, de repente se abre un abanico de posibilidades para la historia del Universo. Para empezar, ya no se puede hablar del origen del Universo, ya que no está claro si el Big Bounce es único: sólo sabemos que este fenómeno marca la transición entre una fase de contracción y una posterior de expansión (que puede ser la nuestra actualmente). En principio, nada prohíbe una concatenación eterna de fases de expansión y contracción. Ésta es la idea de los llamados Universos oscilantes. El propio Sagan ya mencionaba este sinfín de ciclos cósmicos, pero lo hacía en el contexto de distintas mitologías. Cuatro décadas después, son muchos los cosmólogos que proponen el modelo oscilante para la descripción de la evolución del Universo.

Desgraciadamente, la idea de los Universos oscilantes no deja de ser una hipótesis, muy razonable, pero una hipótesis. Como ya hemos dicho, la tecnología actual no es capaz de detectar los momentos justo después del supuesto Big Bounce (ni del Big Bang). ¡Mucho menos observar lo que pasó antes de tal Big Bounce! En principio, para tener evidencia de la existencia de una fase antes del Big Bounce, no es necesario observar tal fase directamente (suponiendo que eso sea posible incluso con la tecnología de un futuro bien lejano), sino detectar efectos justo después del Big Bounce cuya explicación sea compatible con la existencia de una fase previa (si la explicación no es única, entonces sería un indicio, no una prueba irrefutable). En este sentido, hay modelos que suponen que la transición entre fases de contracción y expansión tiene lugar en la transición entre agujeros negros y blancos. Recordemos que un agujero negro¹ es una región del Universo donde el espacio se curva de manera tan intensa que el agujero tiene una profundidad infinita, cuyo fondo es una región de tamaño nulo (singularidad), de modo que cualquier cosa que "caiga" en él se pierde para siempre. De manera algo coloquial, un agujero negro es un sumidero donde se destruye parte del Universo. Pues bien, un agujero blanco es lo contrario, una especie de fuente de la que emanan materia y radiación nuevas. Según algunos modelos de gravedad cuántica, un agujero negro y otro blanco pueden estar conectados por un agujero de gusano, algo así como un túnel conectando regiones del Universo, de modo que lo que cae en el agujero negro por un lado sale por el agujero blanco por el otro extremo [1, 2]. Así, por ejemplo, si algún agujero negro, de los que se piensa que se hallan en el centro de muchas galaxias, está conectado mediante un agujero de gusano a un agujero blanco, tenemos destrucción de materia y radiación por un extremo y creación por el otro. Yendo al caso cósmico extremo, estos modelos sugieren que en su fase de contracción el Universo acaba en un agujero negro, atraviesa un agujero de gusano y renace por el extremo del agujero blanco, dando lugar a una nueva fase de expansión. En principio, este ciclo puede ser eterno. Los mitos de los ciclos de creación y destrucción cósmica que narraba Sagan han pasado al campo de la cosmología, aunque, insistimos, de momento no son más que predicciones teóricas.

Aparte de los Universos oscilantes, existe otro tipo de modelos teóricos alternativos a la teoría convencional del Big Bang. La idea es la siguiente: hemos dicho que resulta algo incoherente describir toda la evolución del Universo, independientemente de su tamaño, según una teoría clásica como la relatividad general de Einstein, y que la introducción de efectos cuánticos sustituye el Big Bang por el Big Bounce. Pues bien, el punto de partida de este segundo tipo de modelos es eliminar el Big Bang dentro de la física clásica, sin necesidad de incorporar descripción cuántica alguna. Para ello, consideran que la gravedad clásica y, por tanto, la cosmología, se describe mejor según una variante de la relatividad general. Sin entrar en detalles, lo importante es que esta reformulación ya no predice Big Bang alguno, sino que se puede transitar por la región donde la relatividad general identificaría tal Big Bang². Lo más curioso de este nuevo enfoque es la predicción de que esta región de transición equivale a una imagen especular de dos Universos enfrentados: hacia un lado de este "espejo cósmico", el derecho, por  ejemplo, tenemos un Universo tal como conocemos, con su flecha del tiempo yendo en el sentido de mayor complejidad (formación de galaxias, etc.), de acuerdo con la experiencia de los habitantes de dicho Universo (nosotros, digamos); por el contrario, hacia el otro lado del espejo cósmico, el izquierdo, tenemos un Universo cuya flecha del tiempo apunta hacia la izquierda del espejo, pero los habitantes de dicho Universo experimentan dicha flecha igual que sus vecinos especulares, es decir, en el sentido de mayor complejidad para ellos. En otras palabras, desde el punto de vista de un habitante de cualquiera de los Universos a uno u otro lado del espejo cósmico, la experiencia de la flecha del tiempo coincide con el aumento de complejidad del Universo de dicho habitante. Los autores de este modelo, evocando la mitología griega, han acuñado el término de punto de Jano, en honor del dios griego de dos caras enfrentadas, cada una perdiendo su vista en el infinito.

Ilustración de un Universo espejo: desde el punto de Jano emergen dos universos, cada uno con su flecha del tiempo correspondiente, editada por el autor del texto. 

Eduemoni, Wikimedia Commons. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Universe_Antiuniverse_model.png

Cabe reseñar que es concebible un modelo híbrido entre los dos tipos de modelos alternativos al Big Bang convencional: a cada lado del punto de Jano puede haber Universos oscilantes en un ciclo eterno de contracción y expansión, donde los sucesivos puntos de Jano vayan evolucionando, generando Universos espejo a cada lado, con leyes diferentes a las de sus antecesores.

¡Seguro que la investigación ya en marcha, tanto teórica como observacional, nos deparará grandes sorpresas, tanto o más revolucionarias que las que se llevaría Carl Sagan si siguiese entre nosotros!

Notas:

¹ Esta descripción de un agujero negro es según la relatividad general de Einstein, una teoría clásica. Si se considera la materia de forma cuántica, pero la gravedad aún de modo clásico, teóricamente es posible para la luz escapar de las inmediaciones del agujero negro (radiación de Hawking). Las transiciones entre agujeros blancos y negros requieren que tanto la materia como la gravedad se describan de manera cuántica.

² No es posible entrar en detalles, pero quisiéramos enfatizar que tal transición por la región donde la relatividad general predice el Big Bang no se realiza a través de ningún agujero de gusano (caso de los Universos oscilantes). La clave estriba en una nueva lectura del concepto de "escala/tamaño" del Universo completo, de modo que las ecuaciones ya no predicen soluciones de curvatura infinita (tanto el Big Bang como la singularidad en el interior de un agujero negro son ejemplos de regiones con curvatura infinita).

Referencias:

[1] A. Retter and S. Heller, 2012, The revival of white holes as small bangs, New Astron. 17, 73

https://doi.org/10.1016/j.newast.2011.07.003 [arXiv:1105.2776v2 [physics.gen-ph]].

[2] C. Rovelli, 2018, Viewpoint: Black Hole Evolution Traced Out with Loop Quantum Gravity, Physics, 11, 127 [arXiv:1901.04732v1 [gr-qc]].

[3] J. Barbour, T. Koslowski and F. Mercati, 2014, Identification of a gravitational arrow of time, Phys. Rev. Lett. 113, 181101 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.181101 [arXiv:1409.0917 [gr-qc]].

[4] T. Koslowski, F. Mercati and D. Sloan, 2018, Through the big bang: Continuing Einstein's equations beyond a cosmological singularity, Phys. Lett. B, 778, 339 https://doi.org/10.1016/j.physletb.2018.01.055 [arXiv:1607.02460v2 [gr-qc]].

Bibliografía:

(1) P. J. Steinhardt, N. Turok, 2007, Endless Universe, New York, Doubleday.

(2) R. Penrose, 2010, Cycles of Time: an extraordinary new view of the universe, London, The Bodley Head.

(3) J. Barbour, 2020, The Janus Point: A New Theory of Time, New York, Vintage Digital.

Pedro Naranjo Pérez.

Doctor en Física Teórica.

Investigador científico, International Centre for Formal Ontology, Varsovia.