Esta es la clase de arte loco que esperas de una historia sobre el origen del universo (Imagen: MIT Computer Science and AI Laboratory)

Se sabe que el universo tuvo un origen. Pero ¿de dónde provino? ¿Qué se originó exactamente? Sabemos que comenzó expandiéndose rápidamente, y que sus pequeñas partículas terminaron convirtiéndose en innumerables e inmensas galaxias. ¿Qué pasó antes? ¿Cómo eran las leyes físicas cuando todo empezó?

Hace ya varias décadas, los célebres físicos James Hartle y Stephen Hawking propusieron respuestas a algunos de estos misterios. Sin embargo, la popular geometría del Big Bang ha sido analizada por otro grupo de científicos, quienes han encontrado problemas en lo planteado por Hawking y Hartle. En concreto, los resultados obtenidos evidencian un problema en el origen del universo, un nuevo obstáculo que las futuras teorías tendrán que superar.

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Tratamos de hacer los cálculos de manera más rigurosa y obtuvimos un resultado distinto” declaró para Gizmodo Job Feldbrugge, un estudiante de doctorado en el Instituto Perimeter de Estudios Físicos. “Nuestra teoría da nuevas luces en torno a la idea existente [sobre el origen del universo] y muestra que podría no funcionar de la forma que esperábamos”.

A menudo, los investigadores tratan de entender el origen del universo apoyándose en las leyes de la gravedad de Einstein, llamada teoría de la relatividad general. Para ser más específicos, aplican estas leyes al revés:al final, se debería alcanzar un punto en el pasado en el cual el universo fuese realmente diminuto. Sin embargo, surgen preguntas sobre cómo era ese universo bebé, o incluso si era lo suficientemente pequeño como para estar regido por las leyes de la mecánica cuántica, la cual parece gobernar cómo se comportan las partículas más pequeñas, como los átomos y los fotones.

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Existen pocas maneras en que nuestro universo pudo haber empezado. Quizás Hawking y Hartle lo pensaron de esta manera: este universo condensado era solo un punto en el espacio con un estado cuántico especial, una así llamada función de onda capaz de describir todo con mecánica cuántica. Luego, el tiempo empezó. Tanto la filosofía como la religión requieren un mayor grado de debate para esta afirmación, pero para las matemáticas solo hacen falta papel y lápiz. Este universo del tamaño de un punto evolucionó basado en la matemática de la relatividad general, aunque con probabilidades iniciales de mecanismos cuánticos incorporados a su estructura. Las diminutas y aleatorias fluctuaciones de energía en el espacio podrían entonces, a través de un proceso de rápida expansión llamado inflación cósmica, dar origen a las diferencias de densidad a gran escala que vemos hoy en día en el universo, lo que explica la existencia de galaxias y vacíos. La teoría de Hawking y Hartle es una de las muchas formas de explicar el origen del universo sin una singularidad, un punto de cero volumen y masa infinita que en realidad no tiene mucho sentido. Otras ideas, como la del cosmólogo de la Universidad de Tufts Alexander Vilenkin, no toma importancia a esta singularidad inicial.

Pero este nuevo artículo, publicado recientemente en el servidor de física de arXiv, introduce un problema. Al aplicar las matemáticas de Hawking y Hartles, así como la de Vilenkin, el nuevo equipo no obtuvo la diminuta fluctuación cuántica necesaria para crear el universo tal y como lo conocemos hoy. Por el contrario, esas fluctuaciones son gigantescas, y crean un universo completamente distinto al nuestro.

El cálculo que hacemos da como resultado ondas gravitacionales violentas después del Big Bang” dijo Feldbrugge —enormes fluctuaciones en la forma del espacio-tiempo—. “De ello no podría surgir un universo como el actual. Los cálculos entran en conflicto con la realidad que observamos”.

Hartle, por su parte, no se mostró tan preocupado con los resultados del equipo de Feldrugge. “En cosmología… contamos solamente con una cantidad pequeña de datos en comparación con lo que los que desearíamos tener” afirma a Gizmodo. “Por lo tanto, hacemos nuestro mejor esfuerzo, y suministramos partes de la teoría, motivadas por todas nuestras observaciones; y luego vemos qué sucede”. Hartle considera que este nuevo trabajo es otro intento por girar la manivela, ofreciendo más información y otro camino matemático que los investigadores pueden seguir. “Los investigadores pueden decidir si seguirán algunas de estas [ideas] en vez de otras”.

Su equipo también ha publicado otro artículo reciente, en el que revisa sus propias matemáticas, y demuestra por qué estas siguen funcionando aún.

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Aun así, Feldbrugge y los cálculos de su equipo mostrarían que un apacible inicio del universo sin ninguna clase de singularidad “no es una opción”. Parecen contradecir directamente las de Hartle y Hawking.

Conectar la mecánica cuántica y la relatividad general para explicar el inicio del universo no es algo nuevo ni un problema próximo a resolverse. Esta es una de las obsesiones principales para los físicos teóricos, dada su importancia para comprender el origen del universo cuando ambas leyes son aplicadas a la misma escala. Por ejemplo, estas leyes son cruciales para entender los agujeros negros, lugares en donde la fuerza gravitatoria es tan fuerte que la luz no puede escapar de su fuerza de atracción.

Pero el punto principal es que Feldbrugge no cree que un inicio del universo explicado solo con las leyes de la mecánica cuántica y de la gravedad pudiese crear pequeñas fluctuaciones que den como resultado un universo como el nuestro —él cree que debe haber algo más—. “No está claro qué solución brindada terminará siendo la definitiva”.

Otros físicos tienen diversas opiniones sobre el tema. Paul Steinhardt, físico de la Universidad de Princeton, por ejemplo, nos comenta en Gizmodo que existen rutas alternativas para evitar los problemas presentes en el nuevo artículo y algunas de las quejas al modelo Hawking-Hartle. Este modelo sin límites —denominado estado de Hartle-Hawking— requiere aún algunas soluciones matemáticas alternativas para crear un universo como el nuestro.

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¿Cuál es la alternativa? Un rebote no singular”, dice Steinhardt, un modelo en el que él y la cosmóloga teórica de Princeton Anna Ijjas vienen trabajando durante años y en el cual un universo pasado colapsa y luego se convierte en el nuestro, todo ello antes de que sea necesario preocuparse por los efectos de la mecánica cuántica.

También nos pusimos en contacto con Sabine Hossenfelder, científica miembro investigador del Instituto Frankfurt para Ciencia Avanzadas, la cual no se mostró del todo convencida por los nuevos resultados. “Lo único que concluyo es que no sabíamos cómo se originó el universo antes de que el artículo fuese escrito” escribió en un e-mail. “Y seguimos sin saber cómo se originó después de que ya fue escrito”. Afirma que los teóricos toman las matemáticas demasiado seriamente y están realizando cálculos aplicados a tiempos y espacios mucho más lejanos de lo que los telescopios son capaces de alcanzar. La única manera de averiguar lo que realmente está pasando es solo a través de los experimentos, dijo Hossenfelder.

Hoy en día, el grueso de las teorías pueden comprobarse o refutarse a través de la observación de la luz más antigua que llega a nosotros, denominada radiación cósmica de fondo. Los investigadores esperan que las implicaciones de sus teorías aparezcan como una “firma” específica dentro de estos datos.

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¿Puede el trabajo de Feldbrugge y su equipo ser comprobado? En realidad, aún se encuentra en las etapas iniciales. Por otro lado, está el problema de los agujeros negros, que deben obedecer simultáneamente las leyes de la relatividad general y la mecánica cuántica. El cálculo de estos, afirma “es, por cierto, una tarea pendiente”.

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Obviamente, resolver todo esto va a tomar mucho, pero mucho tiempo. Tras aplicar todas sus teorías, los científicos necesitan que estas terminen explicando un universo que actúe como el que vemos. [arXiv]