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 ¬Ņde d√≥nde provino? ¬ŅQu√© se origin√≥ exactamente? Sabemos que comenz√≥ expandi√©ndose r√°pidamente, y que sus peque√Īas part√≠culas terminaron convirti√©ndose en innumerables e inmensas galaxias. ¬ŅQu√© pas√≥ antes? ¬ŅC√≥mo eran las leyes f√≠sicas cuando todo empez√≥?

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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‚ÄúTratamos de hacer los c√°lculos de manera m√°s rigurosa y obtuvimos un resultado distinto‚ÄĚ declar√≥ para Gizmodo Job Feldbrugge, un estudiante de doctorado en el Instituto Perimeter de Estudios F√≠sicos. ‚ÄúNuestra teor√≠a da nuevas luces en torno a la idea existente [sobre el origen del universo] y muestra que podr√≠a no funcionar de la forma que esper√°bamos‚ÄĚ.

A menudo, los investigadores tratan de entender el origen del universo apoy√°ndose en las leyes de la gravedad de Einstein, llamada teor√≠a de la relatividad general. Para ser m√°s espec√≠ficos, aplican estas leyes al rev√©s:al final, se deber√≠a alcanzar un punto en el pasado en el cual el universo fuese realmente diminuto. Sin embargo, surgen preguntas sobre c√≥mo era ese universo beb√©, o incluso si era lo suficientemente peque√Īo como para estar regido por las leyes de la mec√°nica cu√°ntica, la cual parece gobernar c√≥mo se comportan las part√≠culas m√°s peque√Īas, como los √°tomos y los fotones.

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Existen pocas maneras en que nuestro universo pudo haber empezado. Quiz√°s Hawking y Hartle lo pensaron de esta manera: este universo condensado era solo un punto en el espacio con un estado cu√°ntico especial, una as√≠ llamada funci√≥n de onda capaz de describir todo con mec√°nica cu√°ntica. Luego, el tiempo empez√≥. Tanto la filosof√≠a como la religi√≥n requieren un mayor grado de debate para esta afirmaci√≥n, pero para las matem√°ticas solo hacen falta papel y l√°piz. Este universo del tama√Īo de un punto evolucion√≥ basado en la matem√°tica de la relatividad general, aunque con probabilidades iniciales de mecanismos cu√°nticos incorporados a su estructura. Las diminutas y aleatorias fluctuaciones de energ√≠a en el espacio podr√≠an entonces, a trav√©s de un proceso de r√°pida expansi√≥n llamado inflaci√≥n c√≥smica, dar origen a las diferencias de densidad a gran escala que vemos hoy en d√≠a en el universo, lo que explica la existencia de galaxias y vac√≠os. La teor√≠a 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 cosm√≥logo 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.

‚ÄúEl c√°lculo que hacemos da como resultado ondas gravitacionales violentas despu√©s del Big Bang‚ÄĚ dijo Feldbrugge ‚ÄĒenormes fluctuaciones en la forma del espacio-tiempo‚ÄĒ. ‚ÄúDe ello no podr√≠a surgir un universo como el actual. Los c√°lculos entran en conflicto con la realidad que observamos‚ÄĚ.

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Hartle, por su parte, no se mostr√≥ tan preocupado con los resultados del equipo de Feldrugge. ‚ÄúEn cosmolog√≠a‚Ķ contamos solamente con una cantidad peque√Īa de datos en comparaci√≥n con lo que los que desear√≠amos tener‚ÄĚ afirma a Gizmodo. ‚ÄúPor lo tanto, hacemos nuestro mejor esfuerzo, y suministramos partes de la teor√≠a, motivadas por todas nuestras observaciones; y luego vemos qu√© sucede‚ÄĚ. Hartle considera que este nuevo trabajo es otro intento por girar la manivela, ofreciendo m√°s informaci√≥n y otro camino matem√°tico que los investigadores pueden seguir. ‚ÄúLos investigadores pueden decidir si seguir√°n algunas de estas [ideas] en vez de otras‚ÄĚ.

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Su equipo tambi√©n ha publicado otro art√≠culo reciente, en el que revisa sus propias matem√°ticas, y demuestra por qu√© estas siguen funcionando a√ļn.

Aun as√≠, Feldbrugge y los c√°lculos de su equipo mostrar√≠an que un apacible inicio del universo sin ninguna clase de singularidad ‚Äúno es una opci√≥n‚ÄĚ. 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.

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Pero el punto principal es que Feldbrugge no cree que un inicio del universo explicado solo con las leyes de la mec√°nica cu√°ntica y de la gravedad pudiese crear peque√Īas fluctuaciones que den como resultado un universo como el nuestro ‚ÄĒ√©l cree que debe haber algo m√°s‚ÄĒ. ‚ÄúNo est√° claro qu√© soluci√≥n brindada terminar√° siendo la definitiva‚ÄĚ.

Otros f√≠sicos tienen diversas opiniones sobre el tema. Paul Steinhardt, f√≠sico de la Universidad de Princeton, por ejemplo, nos comenta en Gizmodo que existen rutas alternativas para evitar los problemas presentes en el nuevo art√≠culo y algunas de las quejas al modelo Hawking-Hartle. Este modelo sin l√≠mites ‚ÄĒdenominado estado de Hartle-Hawking‚ÄĒ requiere a√ļn algunas soluciones matem√°ticas alternativas para crear un universo como el nuestro.

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‚Äú¬ŅCu√°l es la alternativa? Un rebote no singular‚ÄĚ, dice Steinhardt, un modelo en el que √©l y la cosm√≥loga te√≥rica de Princeton Anna Ijjas vienen trabajando durante a√Īos 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 mec√°nica cu√°ntica.

Tambi√©n nos pusimos en contacto con Sabine Hossenfelder, cient√≠fica miembro investigador del Instituto Frankfurt para Ciencia Avanzadas, la cual no se mostr√≥ del todo convencida por los nuevos resultados. ‚ÄúLo √ļnico que concluyo es que no sab√≠amos c√≥mo se origin√≥ el universo antes de que el art√≠culo fuese escrito‚ÄĚ escribi√≥ en un e-mail. ‚ÄúY seguimos sin saber c√≥mo se origin√≥ despu√©s de que ya fue escrito‚ÄĚ. Afirma que los te√≥ricos toman las matem√°ticas demasiado seriamente y est√°n realizando c√°lculos aplicados a tiempos y espacios mucho m√°s lejanos de lo que los telescopios son capaces de alcanzar. La √ļnica manera de averiguar lo que realmente est√° pasando es solo a trav√©s de los experimentos, dijo Hossenfelder.

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Hoy en d√≠a, el grueso de las teor√≠as pueden comprobarse o refutarse a trav√©s de la observaci√≥n de la luz m√°s antigua que llega a nosotros, denominada radiaci√≥n c√≥smica de fondo. Los investigadores esperan que las implicaciones de sus teor√≠as aparezcan como una ‚Äúfirma‚ÄĚ espec√≠fica dentro de estos datos.

¬ŅPuede el trabajo de Feldbrugge y su equipo ser comprobado? En realidad, a√ļn se encuentra en las etapas iniciales. Por otro lado, est√° el problema de los agujeros negros, que deben obedecer simult√°neamente las leyes de la relatividad general y la mec√°nica cu√°ntica. El c√°lculo de estos, afirma ‚Äúes, por cierto, una tarea pendiente‚ÄĚ.

Obviamente, resolver todo esto va a tomar mucho, pero mucho tiempo. Tras aplicar todas sus teor√≠as, los cient√≠ficos necesitan que estas terminen explicando un universo que act√ļe como el que vemos. [arXiv]