por Alastair Wilson
PREGUNTA DEL LECTOR: Mi entendimiento es que nada viene de la nada. Para que algo exista, debe haber material o un componente disponible, y para que estén disponibles, debe haber algo más disponible. Ahora mi pregunta: ¿De dónde provino el material que creó el Big Bang y qué sucedió en primera instancia para crear ese material? Peter, 80 años, Australia.
“La última estrella se enfriará lentamente y se desvanecerá. Con su paso, el universo se convertirá una vez más en un vacío, sin luz ni vida ni sentido”. Así lo advertía el físico Brian Cox en la reciente serie Universe de la BBC . El desvanecimiento de esa última estrella será solo el comienzo de una época infinitamente larga y oscura. Toda la materia eventualmente será consumida por monstruosos agujeros negros , que a su vez se evaporarán en los más tenues destellos de luz. El espacio se expandirá cada vez más hacia el exterior hasta que incluso esa luz tenue se vuelva demasiado dispersa para interactuar. La actividad cesará.
¿O lo hará? Por extraño que parezca, algunos cosmólogos creen que un universo anterior, frío, oscuro y vacío, como el que se encuentra en nuestro futuro lejano, podría haber sido la fuente de nuestro propio Big Bang .
El primer asunto
Pero antes de llegar a eso, echemos un vistazo a cómo surgió la “materia física” por primera vez. Si nuestro objetivo es explicar los orígenes de la materia estable hecha de átomos o moléculas, ciertamente no hubo nada de eso en el Big Bang, ni durante cientos de miles de años después. De hecho, tenemos una comprensión bastante detallada de cómo se formaron los primeros átomos a partir de partículas más simples una vez que las condiciones se enfriaron lo suficiente como para que la materia compleja fuera estable, y cómo estos átomos se fusionaron más tarde en elementos más pesados dentro de las estrellas. Pero esa comprensión no aborda la cuestión de si algo surgió de la nada.
Así que pensemos más atrás. Las primeras partículas de materia de larga vida de cualquier tipo fueron los protones y los neutrones, que juntos forman el núcleo atómico. Estos surgieron alrededor de una diezmilésima de segundo después del Big Bang . Antes de ese punto, realmente no había material en ningún sentido familiar de la palabra. Pero la física nos permite seguir rastreando la línea de tiempo hacia atrás, hasta los procesos físicos que anteceden a cualquier materia estable.
Esto nos lleva a la llamada “ gran época unificada ”. A estas alturas, estamos bien metidos en el ámbito de la física especulativa, ya que no podemos producir suficiente energía en nuestros experimentos para investigar el tipo de procesos que estaban ocurriendo en ese momento. Pero una hipótesis plausible es que el mundo físico estaba formado por una sopa de partículas elementales de vida corta, incluidos los quarks, los componentes básicos de los protones y los neutrones. Había tanto materia como “antimateria” en cantidades aproximadamente iguales : cada tipo de partícula de materia, como el quark, tiene un compañero de “imagen de espejo” de antimateria, que es casi idéntico a sí mismo, que difiere solo en un aspecto. Sin embargo, la materia y la antimateria se aniquilan en un destello de energía cuando se encuentran, lo que significa que estas partículas se crearon y destruyeron constantemente.
Pero, ¿cómo llegaron a existir estas partículas en primer lugar? La teoría cuántica de campos nos dice que incluso el vacío, que supuestamente corresponde al espacio-tiempo vacío, está lleno de actividad física en forma de fluctuaciones de energía. Estas fluctuaciones pueden dar lugar a la aparición de partículas que desaparecen poco después. Esto puede parecer una peculiaridad matemática en lugar de física real, pero tales partículas se han detectado en innumerables experimentos.
El estado de vacío del espacio-tiempo está hirviendo con partículas que se crean y destruyen constantemente, aparentemente “de la nada”. Pero tal vez todo esto realmente nos dice que el vacío cuántico es (a pesar de su nombre) un algo en lugar de una nada. El filósofo David Albert ha criticado memorablemente los relatos del Big Bang que prometen obtener algo de la nada de esta manera.
Supongamos que preguntamos: ¿de dónde surgió el propio espacio-tiempo? Entonces podemos seguir haciendo retroceder el reloj aún más, a la verdaderamente antigua “ época de Planck ” , un período tan temprano en la historia del universo que nuestras mejores teorías de la física se desmoronan. Esta era ocurrió solo una diezmillonésima de una billonésima de una billonésima de una billonésima de segundo después del Big Bang. En este punto, el espacio y el tiempo quedaron sujetos a fluctuaciones cuánticas. Los físicos normalmente trabajan por separado con la mecánica cuántica, que rige el micromundo de las partículas, y con la relatividad general, que se aplica a grandes escalas cósmicas. Pero para comprender verdaderamente la época de Planck, necesitamos una teoría completa de la gravedad cuántica, fusionando las dos.
Todavía no tenemos una teoría perfecta de la gravedad cuántica, pero hay intentos, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles . En estos intentos, el espacio y el tiempo ordinarios suelen verse como emergentes, como las olas en la superficie de un océano profundo. Lo que experimentamos como espacio y tiempo es el producto de procesos cuánticos que operan a un nivel microscópico más profundo, procesos que no tienen mucho sentido para nosotros como criaturas enraizadas en el mundo macroscópico.
En la época de Planck, nuestra comprensión ordinaria del espacio y el tiempo se derrumba, por lo que tampoco podemos seguir confiando en nuestra comprensión ordinaria de la causa y el efecto. A pesar de esto, todas las teorías candidatas de la gravedad cuántica describen algo físico que estaba sucediendo en la época de Planck, algún precursor cuántico del espacio y el tiempo ordinarios. ¿Pero de dónde vino eso ?
Incluso si la causalidad ya no se aplica de manera ordinaria, todavía podría ser posible explicar un componente del universo de la época de Planck en términos de otro. Desafortunadamente, a estas alturas, incluso nuestra mejor física falla por completo en proporcionar respuestas. Hasta que no avancemos más hacia una “teoría del todo”, no podremos dar ninguna respuesta definitiva. Lo más que podemos decir con confianza en este momento es que la física hasta ahora no ha encontrado instancias confirmadas de algo que surja de la nada.
Ciclos de casi nada
Para responder verdaderamente a la pregunta de cómo algo pudo surgir de la nada, necesitaríamos explicar el estado cuántico de todo el universo al comienzo de la época de Planck. Todos los intentos de hacer esto siguen siendo altamente especulativos. Algunos de ellos apelan a fuerzas sobrenaturales como un diseñador . Pero otras explicaciones candidatas permanecen dentro del ámbito de la física, como un multiverso, que contiene un número infinito de universos paralelos, o modelos cíclicos del universo, naciendo y renaciendo de nuevo.
El físico ganador del Premio Nobel de 2020, Roger Penrose, ha propuesto un modelo intrigante pero controvertido para un universo cíclico denominado “cosmología cíclica conforme”. Penrose se inspiró en una interesante conexión matemática entre un estado del universo muy caliente, denso y pequeño, como lo fue en el Big Bang, y un estado extremadamente frío, vacío y expandido del universo, como lo será en el futuro lejano. . Su teoría radical para explicar esta correspondencia es que esos estados se vuelven matemáticamente idénticos cuando se llevan a sus límites. Por paradójico que parezca, una ausencia total de materia podría haber logrado dar lugar a toda la materia que vemos a nuestro alrededor en nuestro universo.
En esta visión, el Big Bang surge de casi nada. Eso es lo que queda cuando toda la materia de un universo se ha consumido en agujeros negros, que a su vez se han evaporado en fotones, perdidos en el vacío. El universo entero surge así de algo que, visto desde otra perspectiva física, es lo más cercano a la nada que uno puede llegar a tener. Pero esa nada sigue siendo una especie de algo. Sigue siendo un universo físico, aunque vacío.
¿Cómo puede el mismo estado ser un universo vacío y frío desde una perspectiva y un universo denso y caliente desde otra? La respuesta se encuentra en un procedimiento matemático complejo llamado “reescalado conforme”, una transformación geométrica que, en efecto, altera el tamaño de un objeto pero deja su forma sin cambios.
Penrose mostró cómo el estado denso frío y el estado denso caliente podrían relacionarse mediante tal cambio de escala para que coincidieran con respecto a las formas de sus espacio-tiempos, aunque no a sus tamaños. Es cierto que es difícil comprender cómo dos objetos pueden ser idénticos de esta manera cuando tienen diferentes tamaños, pero Penrose argumenta que el tamaño como concepto deja de tener sentido en entornos físicos tan extremos.
En la cosmología cíclica conforme, la dirección de la explicación va de viejo y frío a joven y caliente: el estado denso caliente existe debido al estado vacío frío. Pero este “porque” no es el familiar de una causa seguida en el tiempo por su efecto. No es sólo el tamaño lo que deja de ser relevante en estos estados extremos: el tiempo también. El estado denso frío y el estado denso caliente están en efecto ubicados en diferentes líneas de tiempo. El estado vacío frío continuaría para siempre desde la perspectiva de un observador en su propia geometría temporal, pero el estado denso caliente al que da lugar habita efectivamente una nueva línea de tiempo propia.
Puede ser útil comprender el estado denso caliente como producido a partir del estado vacío frío de alguna manera no causal. Tal vez deberíamos decir que el estado denso y caliente emerge de , o está arraigado en , o se da cuenta del estado vacío y frío. Estas son ideas claramente metafísicas que los filósofos de la ciencia han explorado extensamente, especialmente en el contexto de la gravedad cuántica donde la causa y el efecto ordinarios parecen fallar. En los límites de nuestro conocimiento, la física y la filosofía se vuelven difíciles de desentrañar.
¿Evidencia experimental?
La cosmología cíclica conforme ofrece algunas respuestas detalladas, aunque especulativas, a la pregunta de dónde vino nuestro Big Bang. Pero incluso si la visión de Penrose es reivindicada por el progreso futuro de la cosmología, podríamos pensar que todavía no habríamos respondido una pregunta filosófica más profunda, una pregunta sobre de dónde vino la realidad física misma. ¿Cómo surgió todo el sistema de ciclos? Entonces finalmente terminamos con la pregunta pura de por qué hay algo en lugar de nada, una de las preguntas más importantes de la metafísica.
Pero nuestro enfoque aquí está en las explicaciones que permanecen dentro del ámbito de la física. Hay tres amplias opciones para la pregunta más profunda de cómo comenzaron los ciclos. No podría tener ninguna explicación física en absoluto. O podría haber ciclos que se repiten sin fin, cada uno de los cuales es un universo por derecho propio, con el estado cuántico inicial de cada universo explicado por alguna característica del universo anterior. O podría haber un solo ciclo y un solo universo repetitivo, con el comienzo de ese ciclo explicado por alguna característica de su propio final. Los dos últimos enfoques evitan la necesidad de eventos sin causa, y esto les da un atractivo distintivo. La física no dejaría nada sin explicar.
Penrose envisages a sequence of endless new cycles for reasons partly linked to his own preferred interpretation of quantum theory. In quantum mechanics, a physical system exists in a superposition of many different states at the same time, and only “picks one” randomly, when we measure it. For Penrose, each cycle involves random quantum events turning out a different way—meaning each cycle will differ from those before and after it. This is actually good news for experimental physicists, because it might allow us to glimpse the old universe that gave rise to ours through faint traces, or anomalies, in the leftover radiation from the Big Bang seen by the Planck satellite.
Penrose y sus colaboradores creen que es posible que ya hayan detectado estos rastros, atribuyendo patrones en los datos de Planck a la radiación de los agujeros negros supermasivos en el universo anterior. Sin embargo, sus supuestas observaciones han sido cuestionadas por otros físicos y el jurado sigue deliberando.
Los nuevos ciclos interminables son clave para la propia visión de Penrose. Pero hay una forma natural de convertir la cosmología cíclica conforme de una forma de ciclo múltiple a una de un ciclo. Entonces, la realidad física consiste en un solo ciclo a través del Big Bang hasta un estado de máximo vacío en el futuro lejano, y luego nuevamente al mismo Big Bang, dando lugar al mismo universo nuevamente.
Esta última posibilidad es consistente con otra interpretación de la mecánica cuántica, denominada interpretación de muchos mundos. La interpretación de muchos mundos nos dice que cada vez que medimos un sistema que está en superposición, esta medida no selecciona un estado al azar. En cambio, el resultado de la medición que vemos es solo una posibilidad, la que se desarrolla en nuestro propio universo. Todos los demás resultados de la medición se desarrollan en otros universos en un multiverso, efectivamente aislados del nuestro. Entonces, no importa cuán pequeña sea la posibilidad de que ocurra algo, si tiene una probabilidad distinta de cero, entonces ocurre en algún mundo cuántico paralelo. Hay personas como tú en otros mundos que han ganado la lotería, o han sido arrastradas hacia las nubes por un extraño tifón, o se han encendido espontáneamente, o han hecho las tres cosas simultáneamente.
Algunas personas creen que tales universos paralelos también pueden observarse en los datos cosmológicos, como huellas causadas por otro universo que choca con el nuestro.
La teoría cuántica de muchos mundos da un nuevo giro a la cosmología cíclica conforme, aunque no uno con el que Penrose esté de acuerdo. Nuestro Big Bang podría ser el renacimiento de un solo multiverso cuántico, que contiene infinitos universos diferentes, todos juntos. Todo lo posible sucede, luego sucede una y otra y otra vez.
Un mito antiguo
Para un filósofo de la ciencia, la visión de Penrose es fascinante. Abre nuevas posibilidades para explicar el Big Bang, llevando nuestras explicaciones más allá de la causa y el efecto ordinarios. Por lo tanto, es un gran caso de prueba para explorar las diferentes formas en que la física puede explicar nuestro mundo. Merece más atención de los filósofos.
Para un amante del mito, la visión de Penrose es hermosa. En la forma multiciclo preferida de Penrose, promete infinitos mundos nuevos nacidos de las cenizas de sus antepasados. En su forma de ciclo único, es una llamativa reinvocación moderna de la antigua idea del ouroboros, o serpiente del mundo. En la mitología nórdica, la serpiente Jörmungandr es hija de Loki, un astuto embaucador, y el gigante Angrboda. Jörmungandr consume su propia cola, y el círculo creado sostiene el equilibrio del mundo. Pero el mito de ouroboros ha sido documentado en todo el mundo, incluso desde el antiguo Egipto.
El uroboros del universo cíclico único es verdaderamente majestuoso. Contiene dentro de su vientre nuestro propio universo, así como cada uno de los extraños y maravillosos universos alternativos posibles permitidos por la física cuántica, y en el punto donde su cabeza se encuentra con su cola, está completamente vacío pero también rebosante de energía a temperaturas de cien mil billones de trillones de grados centígrados. Incluso Loki, el cambiaformas, estaría impresionado.
Crédito de la imagen: NASA
