Los f√≠sicos te√≥ricos y los cosm√≥logos a menudo lidian con las preguntas m√°s profundas, como ¬Ņpor qu√© estamos aqu√≠?, ¬Ņcu√°ndo comenz√≥ el universo? Una de las preguntas que m√°s les intriga, probablemente a ti tambi√©n, es ¬Ņqu√© ocurr√≠a en el universo antes del Big Bang?

Para dejarlo claro desde el principio, a√ļn no podemos responder de manera definitiva a esa cuesti√≥n, pero s√≠ podemos especular de forma algo vaga, con la ayuda del f√≠sico te√≥rico 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 repas√≥ varias posibilidades con respecto al pre Big Bang.

De nuevo, todo esto es especulaci√≥n, no teor√≠a. ‚ÄúPor ahora, todo esto no est√° establecido como leyes de la f√≠sica que podamos comprender o comprobar en modo alguno‚ÄĚ dijo Carroll. Como dijo a Gizmodo Peter Woit, f√≠sico te√≥rico de la Universidad Columba: ‚ÄúComo consejo general con respecto a los f√≠sicos, cuando dicen ‚Äėno entendemos qu√© est√° ocurriendo aqu√≠‚Äô es que de verdad, de verdad no tienen ni idea de qu√© est√° ocurriendo ah√≠. Est√°n completamente a ciegas‚ÄĚ.

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

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Dicho esto, vamos a especular. Una de las propiedades m√°s extra√Īas de nuestro universo es que tiene muy poca entrop√≠a, implicando que hay relativamente poco desorden, o dicho al rev√©s: bastante orden entre todas las part√≠culas. Piensa en ello de esta manera: imagina una bomba llena de arena explotando en una superficie vac√≠a. Eso es el Big Bang. Uno esperar√≠a una mont√≥n m√°s o menos uniforme de arena tras la explosi√≥n pero, en su lugar, nuestro universo inmediatamente se dispuso en forma de castillos de arena sin raz√≥n alguna y sin ning√ļn tipo de ayuda. La cuesti√≥n es que no sabemos por qu√©, seg√ļn admite a Gizmodo Stefan Countryman, estudiante doctorando en F√≠sicas por la Universidad de Columbia. El Big Bang podr√≠a (y quiz√° deber√≠a) haber resultado en una masa de alta entrop√≠a uniformemente distribuida pero desorganizada. En su lugar, tenemos los sistemas estelares, las galaxias y los cl√ļsters de galaxias todos enlazados con espacios de vac√≠o entre ellos. Tenemos orden.

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 f√≠sica dictan que la entrop√≠a solo puede incrementarse y, con todo, la entrop√≠a hoy en d√≠a es bastante baja. Carroll dice que eso significa que originalmente el universo ten√≠a todav√≠a menos entrop√≠a, lo cual implica que era todav√≠a m√°s organizado. Eso tiene consecuencias en c√≥mo eran las cosas antes del Big Bang. ‚ÄúHay mucha gente que piensa que el universo primordial era simple, sin alteraciones y sin nada especialmente notorio‚ÄĚ, dice Carroll. ‚ÄúUna vez piensas en la entrop√≠a, tu perspectiva cambia y te das cuenta de que es algo que tienes que explicar‚ÄĚ.

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.

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Un universo que rebota

Una de las ideas es que nuestro universo bajo en entrop√≠a vino de otro universo que colapsaba. Esta noci√≥n, llamada en ocasiones el Big Bounce, predice que otro universo colapsar√° hacia dentro en un punto de gravedad infinita llamado singularidad, y que luego rebotar√° de vuelta para producir nuestro propio universo. Tales modelos llevan dando vueltas desde 1960, siendo m√°s considerados en los 80 y principios de los 90. Si es posible que haya m√ļltiples rebotes, entonces el universo se expande y se contrae c√≠clicamente como un acorde√≥n.

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

Las teor√≠as del Big Bounce, el Gran Rebote, tienen algunas particularidades: la idea de una singularidad revienta por completo la teor√≠a de la relatividad de Einstein, las reglas que establecen c√≥mo funciona la gravedad. Los f√≠sicos creen que las singularidades probablemente existan dentro de agujeros negros. Pero las leyes de la f√≠sica 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 a√Īadir nuevas part√≠culas y campos, aportando nuevas teor√≠as. ‚ÄúNo hay nada en la relatividad general que indique que el universo rebotar√≠a si se llegase a la singularidad‚ÄĚ, a√Īade Carroll.

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

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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

Quiz√° antes del Big Bang, el universo era peque√Īo, evolucionando lentamente en un espacio fijo, tal y como teorizan f√≠sicos como Kurt Hinterbichler, Austin Joyce y Justin Khoury . Este universo pre Big Bang habr√≠a sido metaestable, implicando que habr√≠a sido estable solo hasta que se ‚Äúdio cuenta‚ÄĚ de que hab√≠a un estado a√ļn m√°s estable. Como analog√≠a, imagine una bola reposando en una depresi√≥n que vibra en la ladera de una monta√Īa. Cualquier golpe podr√≠a mandar la bola ladera abajo o, en el caso de nuestro universo, comenzar un Big Bang.

De acuerdo con algunas teor√≠as, el universo pre Big Bang podr√≠a haber existido en un estado plano de alta presi√≥n durante mucho tiempo. En alg√ļn momento, este periodo metaestable lleg√≥ a su fin, causando que el universo se inflase (explicaremos esta parte ahora) y convirti√©ndolo en lo que conocemos hoy.

La teor√≠a del universo hibernante no est√° exenta tampoco de problemas, explica Carroll: tambi√©n sugiere que nuestro universo tuvo un comienzo de baja entrop√≠a, pero sin ofrecer una explicaci√≥n sobre por qu√©. Hinterbichler, f√≠sico te√≥rico en Case Western Reserve University, no piensa que la baja entrop√≠a en los comienzos sea un problema, sin embargo. ‚ÄúEstamos simplemente buscando una explicaci√≥n sobre la din√°micas que ocurrieron antes del Big Bang y que permiten explicar por qu√© vemos lo que vemos‚ÄĚ, afirma. ‚ÄúEs lo mejor que podemos esperar‚ÄĚ.

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

Un multiverso

La teor√≠a del multiverso evita los problemas de la entrop√≠a aumentando con el tiempo asociados con el Big Bounce, y explica el universo de baja entrop√≠a que observamos hoy en d√≠a, dice Caroll. Esta teor√≠a nace de una idea bastante aceptada, pero incompleta, llamada ‚Äúinflaci√≥n‚ÄĚ. El f√≠sico Alan Guth, que ejerce en el MIT, acu√Ī√≥ el t√©rmino inflaci√≥n en 1980 afirmando que el espacio en el universo se expandi√≥ a velocidades incre√≠bles justo despu√©s del Big Bang, mucho m√°s r√°pido que la velocidad de la luz. La mec√°nica cu√°ntica establece que el espacio experimenta continuamente peque√Īas y aleatorias fluctuaciones de energ√≠a y que, durante el periodo de inflaci√≥n, esos picos de energ√≠a pueden ser magnificados y convertidos en galaxias. Es decir, la gran escala de baja entrop√≠a que vemos en el universo hoy en d√≠a.

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Los cient√≠ficos han desarrollado el modelo inflacionario observando el fondo c√≥smico de microondas (la luz m√°s lejana y m√°s antigua que podemos observar hoy, unos miles de a√Īos despu√©s del comienzo del Big Bang), y viendo c√≥mo la inflaci√≥n predice su existencia perfectamente.

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

Algunos cient√≠ficos piensan que el multiverso es tambi√©n a menudo una consecuencia de la inflaci√≥n. Esencialmente, existe una gran sopa inflacionaria de la que nacen universos m√°s peque√Īos de baja entrop√≠a como burbujas. Estos universos son incapaces de comunicarse entre s√≠. Como explica en PBS Nova Marcus Woo:

Al comienzo de los 80, los f√≠sicos descubrieron que la inflaci√≥n aumenta eternamente, deteni√©ndose solo en algunas regiones en el espacio. Pero entre esas partes, la inflaci√≥n contin√ļa, expandi√©ndose a√ļn m√°s r√°pido que la velocidad de la luz. Estas burbujas est√°n por tanto aisladas unas de otras, convirti√©ndose en universos aislados.

Carroll prefiere este modelo particular, aunque su multiverso luce de manera algo diferente a lo descrito m√°s arriba: ‚ÄúEs una versi√≥n de la teor√≠a del multiverso, pero la diferencia aqu√≠ es que el universo padre puede tener una alta entrop√≠a‚ÄĚ. 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 ir√≠an y estar√≠an m√°s all√° de nuestra detecci√≥n, y podr√≠an haber comenzado antes y despu√©s que el nuestro.

Las preocupaciones que rodean a la teor√≠a del multiverso, aunque sean ‚Äúsexy‚ÄĚ desde un punto de vista de la divulgaci√≥n cient√≠fica, hacen que los f√≠sicos paren de buscar las repuestas a las preguntas m√°s b√°sicas, como por qu√© las constantes f√≠sicas de nuestro universo son las que son.

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‚ÄúLos te√≥ricos tienen esta idea de que quiz√° haya un n√ļmero infinito de universo, y podemos presentar modelos donde los n√ļmeros‚ÄĚ, como las propiedades fundamentales de las part√≠culas que observamos, ‚Äúsean diferentes para cada universo hijo‚ÄĚ. Woit quiere que los te√≥ricos eviten decir que simplemente ‚Äúhemos tenido suerte‚ÄĚ 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.

‚ÄúEs importante, a la vez, hacer saber a las personas que no sabemos de qu√© estamos hablando‚ÄĚ, dice Carroll. ‚ÄúEstas 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‚ÄĚ.