Los físicos teóricos y los cosmólogos a menudo lidian con las preguntas más profundas, como ¿por qué estamos aquí?, ¿cuándo comenzó el universo? Una de las preguntas que más les intriga, probablemente a ti también, es ¿qué ocurría en el universo antes del Big Bang?

Para dejarlo claro desde el principio, aún no podemos responder de manera definitiva a esa cuestión, pero sí podemos especular de forma algo vaga, con la ayuda del físico teórico Sean Carroll del California Institute of Technology. Carroll dio una charla el mes pasado en el encuentro bianual de la American Astronomical Society en Grapevine, Texas, donde repasó varias posibilidades con respecto al pre Big Bang.

De nuevo, todo esto es especulación, no teoría. “Por ahora, todo esto no está establecido como leyes de la física que podamos comprender o comprobar en modo alguno” dijo Carroll. Como dijo a Gizmodo Peter Woit, físico teórico de la Universidad Columba: “Como consejo general con respecto a los físicos, cuando dicen ‘no entendemos qué está ocurriendo aquí’ es que de verdad, de verdad no tienen ni idea de qué está ocurriendo ahí. Están completamente a ciegas”.

El físico Brian Greene exponiendo sobre la teoría de cuerdas (Imagen: NASA/Goddard/Wade Sisler)

Dicho esto, vamos a especular. Una de las propiedades más extrañas de nuestro universo es que tiene muy poca entropía, implicando que hay relativamente poco desorden, o dicho al revés: bastante orden entre todas las partículas. Piensa en ello de esta manera: imagina una bomba llena de arena explotando en una superficie vacía. Eso es el Big Bang. Uno esperaría una montón más o menos uniforme de arena tras la explosión pero, en su lugar, nuestro universo inmediatamente se dispuso en forma de castillos de arena sin razón alguna y sin ningún tipo de ayuda. La cuestión es que no sabemos por qué, según admite a Gizmodo Stefan Countryman, estudiante doctorando en Físicas por la Universidad de Columbia. El Big Bang podría (y quizá debería) haber resultado en una masa de alta entropía uniformemente distribuida pero desorganizada. En su lugar, tenemos los sistemas estelares, las galaxias y los clústers de galaxias todos enlazados con espacios de vacío entre ellos. Tenemos orden.

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De manera adicional, la entropía o el desorden solo puede aumentar con el paso del tiempo. Siguiendo la analogía anterior, los castillos de arena erosionarían. De hecho, y de acuerdo con Carroll, nuestra observación del tiempo depende en que se incremente la entropía desde que el comenzó el universo. La entropía es una propiedad física que depende completamente del tiempo, montada en un tren unidireccional que la lleva al futuro.

Entonces: las leyes de la física dictan que la entropía solo puede incrementarse y, con todo, la entropía hoy en día es bastante baja. Carroll dice que eso significa que originalmente el universo tenía todavía menos entropía, lo cual implica que era todavía más organizado. Eso tiene consecuencias en cómo eran las cosas antes del Big Bang. “Hay mucha gente que piensa que el universo primordial era simple, sin alteraciones y sin nada especialmente notorio”, dice Carroll. “Una vez piensas en la entropía, tu perspectiva cambia y te das cuenta de que es algo que tienes que explicar”.

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Dejando la entropía a un lado, hay otros aspectos importantes en estas teorías que tienen que alinearse con el universo en el que vivimos. En algunos casos, asumir un universo con baja entropía es menos importante que en otros.

Como vamos a ver, las posibles explicaciones a qué ocurrió antes del Big Bang van desde un Big Bounce hasta un multiverso ramificado eternamente.

Un universo que rebota

Una de las ideas es que nuestro universo bajo en entropía vino de otro universo que colapsaba. Esta noción, llamada en ocasiones el Big Bounce, predice que otro universo colapsará hacia dentro en un punto de gravedad infinita llamado singularidad, y que luego rebotará de vuelta para producir nuestro propio universo. Tales modelos llevan dando vueltas desde 1960, siendo más considerados en los 80 y principios de los 90. Si es posible que haya múltiples rebotes, entonces el universo se expande y se contrae cíclicamente como un acordeón.

Una supernova, una estrella explotando (Imagen: NASA/CXC/SAO)

Las teorías del Big Bounce, el Gran Rebote, tienen algunas particularidades: la idea de una singularidad revienta por completo la teoría de la relatividad de Einstein, las reglas que establecen cómo funciona la gravedad. Los físicos creen que las singularidades probablemente existan dentro de agujeros negros. Pero las leyes de la física no dan un mecanismo por el cual otro universo, colapsado en una singularidad, pueda hacer un Bang propio del Big Bang. Un Big Bounce, entonces, requiere añadir nuevas partículas y campos, aportando nuevas teorías. “No hay nada en la relatividad general que indique que el universo rebotaría si se llegase a la singularidad”, añade Carroll.

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Hay un problema aún mayor: los universos que rebotan requieren que el tiempo se mueva hacia delante con una entropía que disminuye, pero, como hemos dicho antes, la entropía siempre aumenta con el tiempo. Eso implica que en lo que respecta al menos a nuestras leyes de la física, un universo que rebota no puede existir.

No quiere decir que no existiese, solo que nuestras teorías actuales son incompletas. Las leyes que hemos establecido solo cubren el universo que podemos ver, después de todo.

Un universo hibernante

Quizá antes del Big Bang, el universo era pequeño, evolucionando lentamente en un espacio fijo, tal y como teorizan físicos como Kurt Hinterbichler, Austin Joyce y Justin Khoury . Este universo pre Big Bang habría sido metaestable, implicando que habría sido estable solo hasta que se “dio cuenta” de que había un estado aún más estable. Como analogía, imagine una bola reposando en una depresión que vibra en la ladera de una montaña. Cualquier golpe podría mandar la bola ladera abajo o, en el caso de nuestro universo, comenzar un Big Bang.

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De acuerdo con algunas teorías, el universo pre Big Bang podría haber existido en un estado plano de alta presión durante mucho tiempo. En algún momento, este periodo metaestable llegó a su fin, causando que el universo se inflase (explicaremos esta parte ahora) y convirtiéndolo en lo que conocemos hoy.

La teoría del universo hibernante no está exenta tampoco de problemas, explica Carroll: también sugiere que nuestro universo tuvo un comienzo de baja entropía, pero sin ofrecer una explicación sobre por qué. Hinterbichler, físico teórico en Case Western Reserve University, no piensa que la baja entropía en los comienzos sea un problema, sin embargo. “Estamos simplemente buscando una explicación sobre la dinámicas que ocurrieron antes del Big Bang y que permiten explicar por qué vemos lo que vemos”, afirma. “Es lo mejor que podemos esperar”.

Carroll piensa que otra teoría podría explicar el universo de baja entropía que tenemos hoy en día.

Un multiverso

La teoría del multiverso evita los problemas de la entropía aumentando con el tiempo asociados con el Big Bounce, y explica el universo de baja entropía que observamos hoy en día, dice Caroll. Esta teoría nace de una idea bastante aceptada, pero incompleta, llamada “inflación”. El físico Alan Guth, que ejerce en el MIT, acuñó el término inflación en 1980 afirmando que el espacio en el universo se expandió a velocidades increíbles justo después del Big Bang, mucho más rápido que la velocidad de la luz. La mecánica cuántica establece que el espacio experimenta continuamente pequeñas y aleatorias fluctuaciones de energía y que, durante el periodo de inflación, esos picos de energía pueden ser magnificados y convertidos en galaxias. Es decir, la gran escala de baja entropía que vemos en el universo hoy en día.

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Los científicos han desarrollado el modelo inflacionario observando el fondo cósmico de microondas (la luz más lejana y más antigua que podemos observar hoy, unos miles de años después del comienzo del Big Bang), y viendo cómo la inflación predice su existencia perfectamente.

Un universo bebé naciendo de un universo padre. Imagen: Jason Torchinsky

Algunos científicos piensan que el multiverso es también a menudo una consecuencia de la inflación. Esencialmente, existe una gran sopa inflacionaria de la que nacen universos más pequeños de baja entropía como burbujas. Estos universos son incapaces de comunicarse entre sí. Como explica en PBS Nova Marcus Woo:

Al comienzo de los 80, los físicos descubrieron que la inflación aumenta eternamente, deteniéndose solo en algunas regiones en el espacio. Pero entre esas partes, la inflación continúa, expandiéndose aún más rápido que la velocidad de la luz. Estas burbujas están por tanto aisladas unas de otras, convirtiéndose en universos aislados.

Carroll prefiere este modelo particular, aunque su multiverso luce de manera algo diferente a lo descrito más arriba: “Es una versión de la teoría del multiverso, pero la diferencia aquí es que el universo padre puede tener una alta entropía”. Este modelo implica que, antes que el Big Bang, estaba el gran espacio inflacionario del cual el nuestro y otros universos emergen. Los otros universos irían y estarían más allá de nuestra detección, y podrían haber comenzado antes y después que el nuestro.

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Las preocupaciones que rodean a la teoría del multiverso, aunque sean “sexy” desde un punto de vista de la divulgación científica, hacen que los físicos paren de buscar las repuestas a las preguntas más básicas, como por qué las constantes físicas de nuestro universo son las que son.

“Los teóricos tienen esta idea de que quizá haya un número infinito de universo, y podemos presentar modelos donde los números”, como las propiedades fundamentales de las partículas que observamos, “sean diferentes para cada universo hijo”. Woit quiere que los teóricos eviten decir que simplemente “hemos tenido suerte” con este universo donde todo ocurre del modo en el que ocurre, puesto que hay infinitas posibilidades y por tanto dejemos de teorizar. Carroll por su parte prefiere el multiverso, pero muchos otros prefieren el Big Bounce.

Para resumirlo todo, muchos físicos son pagados para discutir y escribir libros sobre el Big Bang y el modelo del preuniverso que puedan describir lo que vemos hoy. Hemos simplificado las matemáticas (y las explicaciones) muchísimo, pero el hecho es que hay mucho por teorizar todavía hasta que podamos entender cómo el universo llegó a ser lo que es.

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“Es importante, a la vez, hacer saber a las personas que no sabemos de qué estamos hablando”, dice Carroll. “Estas ideas especulativas son solo el principio de algo que necesita ser tomado en serio, pero hay esperanza de que podamos resolverlo todo si no nos damos por vencidos”.

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