Origen cuántico

¿Cómo empezó todo? Es una interrogante que, en función de la naturaleza humana, es muy difícil evitar reflexionar sobre ella. Hay pensadores que han llegado a la conclusión que la respuesta ha de estar fuera del campo de la ciencia; creen que la creación del universo fue un acto divino. Otros rechazan totalmente el planteamiento, sostienen que el universo no empezó nunca, que siempre ha existido: punto de vista expuesto por el modelo de estado estacionario del universo. Pero observaciones astronómicas apoyan el hecho de que nuestro universo era muy distinto en el pasado remoto, que tuvo un origen concreto y que, desde entonces, sus cambios han sido sustanciales. También, es muy posible que nuestro universo sea una isla inserta en otro inmensamente mayor con características de periodicidades infinitas de expansiones y contracciones, pero según los alcances de nuestra ciencia –por ahora– es algo indemostrable. Por otra parte, y como lo hemos visto, un universo autogenerado o reciclado es una posibilidad, pero nada nos obliga a aceptarlo. Creo, y en aras de la sencillez, que es más saludable suponer que el origen de nuestro universo es un acontecimiento único.

Si estudiamos el universo dentro del marco de los modelos cosmológicos habituales, vemos que la temperatura y la densidad de la materia siguen aumentando sin límite a medida que retrocedemos en el tiempo. Luego llegamos a la singularidad espaciotemporal y las leyes físicas pierden sentido. Esta circunstancia lleva a muchos a adoptar una actitud que podría ser calificada como una especie de «ritualización de la singularidad»: la idea de que hasta los científicos deben renunciar a la empresa de entender racionalmente el origen del universo. Lo anterior, viene a ser como repetir la historia de lo que se decía en las primeras décadas del siglo XX, en que se señalaba que la física fracasaría en su intento de comprender el átomo. Pero lo consiguió con la nueva teoría cuántica. Del mismo modo, nada hay que nos impida conseguir una descripción racional del origen mismo del universo; algún día se conseguirá. La singularidad del principio del tiempo debería considerarse meta a conquistar y no una señal para desertar.

Pero personas con diferentes formaciones culturales y en ciencias, contrarias a la idea de hacer esfuerzos para comprender el origen del universo, hay muchas. Argumentan que es algo que nunca podrá someterse a una contrastacíón empírica. Agregan, además, que si el modelo inflacionario es correcto, todas las características preinflacionarias del universo se habrían esfumado y no quedaría ningún rastro observable de su origen.

Aunque sus argumentos pueden ser respetables sus objeciones no son válidas. Desde luego, la existencia misma de todo el universo y del Big Bang es prueba de que hubo un origen de algún tipo. Hay otras características de nuestro universo que podrían proporcionar información sobre su origen, aunque de momento –como indicios– no se ha profundizado lo suficiente en ellas. Por ejemplo, el modelo inflacionario exige que antes de la inflación el universo sea inmensamente cálido y muy denso, condiciones que debieran deducirse lógicamente de una teoría del origen mismo. Otro ejemplo es la característica más espectacular del universo que haya sobrevivido a la inflación: la dimensionalidad espaciotemporal tres más uno. Otra característica del universo preinflacionario es su alto grado de simetría, y también eso debería explicarlo cualquier teoría sobre el origen.

La formulación de un modelo físico correcto del origen del universo, desde luego, y hasta las leyes físicas que lo rigen, es de un monumental trabajo con una multiplicidad de restricciones. Nuestro conocimiento de las leyes físicas y de las características observadas del universo limitan severamente nuestra libertad de elección.

Las condiciones iniciales juegan un papel singular en cosmología. En general, las condiciones iniciales y las leyes de la naturaleza constituyen las dos partes esenciales de cualquier formulación física. Las condiciones iniciales muestran la disposición de las fuerzas y las partículas al iniciarse un experimento. Las leyes indican lo que sucede. De este modo, las condiciones iniciales de un experimento son las condiciones finales de uno previo. Este concepto no sirve para las condiciones iniciales del universo. Por definición, nada existió antes del principio del universo, si es que el universo tuvo en realidad algún principio, de modo que sus condiciones iniciales deben aceptarse como un punto de partida que es, hasta ahora, incalculable. Un punto de partida como éste abruma a los físicos, que desean saber por qué.

Llos distintos modelos cosmológicos nos otorga numerosas posibilidades de condiciones iniciales y procesos físicos con que el universo podría haber comenzado. La idea más corriente es aquella que postula que el universo comenzó con una densidad y una temperatura uniforme, y que existía un equilibrio casi perfecto entre la energía gravitacional y la energía cinética de expansión. La pregunta es si estas condiciones iniciales son plausibles. ¿Son probables o improbables? Tradicionalmente, los argumentos probabilísticos requieren que un experimento se realice en un gran número de sistemas idénticos, o bien que se repita muchas veces en un solo sistema. Pero cómo se puede llevar a cabo si sólo se puede contar con un universo.

¿Cómo podrían haberse determinado las condiciones iniciales del universo? ¿Apareció repentinamente el universo en t = 0? El modelo estándar del Big Bang, basado en la teoría de la gravedad de Einstein, precisa que el estado del universo antes del estallido de la existencia era de una densidad y curvatura espaciotemporal infinitas. Lo anterior, lleva a considerar que en esas condiciones imperantes al inicio del mundo, las leyes conocidas de la física no tenían aplicabilidad alguna, lo que implica que la ciencia sería incapaz de predecir como el universo comenzó. Todo lo que podría decir es que el universo contemporáneo es como es, porque el primigenio fue como fue…

Sin embargo, los científicos concuerdan en que el modelo del Big Bang no resulta satisfactorio cuando se trata de dar explicaciones convincentes en escenarios donde la materia comporta una densidad extrema. A diferencia de todas las otras teorías modernas en el campo de la física, la teoría de la gravedad de Einstein no incorpora las propiedades físicas de la mecánica cuántica. En la década de 1920, los físicos descubrieron que todos los fenómenos naturales tienen un comportamiento dual: a la vez similar a las partículas y similar a las ondas. En ciertos casos, un electrón actúa como una partícula, ocupando sólo una posición a la vez en el espacio, y en otras circunstancia actúa como una onda, ocupando varias posiciones al mismo tiempo. La teoría sobre este comportamiento se denomina mecánica cuántica. Esa dualidad onda-partícula de la materia conduce a una incertidumbre intrínseca con respecto a la naturaleza, es decir, una incertidumbre que no surge de nuestra ignorancia o incapacidad de medir, sino que es una ignorancia absoluta. Esto demanda describir la naturaleza mediante posibilidades, no certezas.

Por ello, cada día hay más científicos entusiasmados con la posibilidad de formular nuevas ideas basadas en la física cuántica, porque ellas pueden utilizarse para elaborar modelos matemáticos del origen mismo del universo que evitan una auténtica singularidad física. Estos modelos carecen de un soporte experimental concreto. Pero esa falta de apoyo experimental a los físicos no les preocupa, ya que en las etapas de elaboración de modelos imaginarios, las ideas pueden ser sometidas a rigurosos escenarios computacionales. Porque lo notable de estos modelos no es tanto que al final se demuestre que son correctos o erróneos, sino que sean posibles. Parece que el universo, pese a su inmensidad y a su origen ignoto, acabará dominado por la razón, porque es una entidad física.

El origen del universo es anterior al periodo inflacionario. A medida que el universo se contrae, se hace más cálido y más denso y, según la relatividad general clásica, colapsa en una singularidad espaciotemporal. Pero si queremos utilizar la teoría cuántica, hemos de modificar esta imagen puramente clásica del colapso. Los físicos saben que la descripción clásica de la geometría espaciotemporal se desmorona a la escala de Planck, antes de que aparezca la singularidad. La geometría del universo se convierte entonces en una especie de mar espumeante que los científicos llaman la «espuma espaciotemporal» y la influencia de la gravedad cuántica se hace dominante. Dado que espacio y tiempo son conceptos básicos utilizados en física (análogos al uso de las palabras en las frases) es difícil decir qué queda de las leyes físicas convencionales en este extraño estado del universo... sería como sí las palabras perdieran su significado. Pero los físicos han descubierto que pueden recurrir a un lenguaje nuevo de configuraciones de campos para describir el origen del universo. ¿Cómo se plantean los físicos este acontecimiento?

Antes de continuar, precisemos que no existe consenso de parte de los físicos con ningún modelo «tipo» del origen del universo. Todos los modelos que analizaremos aquí deberán ser considerados como primarios, provisionales y desechables en la medida que se inventan otros mejores. Lo que, en último término, buscan los físicos, es formular un modelo definido de este acontecimiento, como los modelos definidos del interior de las estrellas o de las etapas posteriores al Big Bang cuando se forma helio.

La formulación de un modelo de esta naturaleza conlleva un pre-requisito ineludible: no dejar cuestiones pendientes en lo que se refiere a un estado de «pre-origen» del universo. De no ser así, no podría ser considerado como una teoría del origen del universo. Por ejemplo, podríamos señalar que el universo tuvo una partida en «algo»... una semilla primordial. Pero entonces se nos plantea un problema: ¿De dónde vino esa semilla? La idea alternativa de que el universo comenzó con «nada», que es una creación ex-nihilo, cumple la condición de no dejar cosas sin aclarar, respecto a un estado preexistente. Pero, ¿qué es eso de «nada»?

Recordemos que, para la mayoría de los físicos, la nada es lo que ellos denominan el «estado de vacío», el estado de la energía total mínima posible en un sistema físico. Este sistema físico podría ser un sistema solar, una galaxia o todo el universo. El espacio plano y vacío coincide con esta descripción del «estado de vacío» de los físicos. Pero si en ese estado de vacío se pone algo, como supercuerdas, o un electrón o un fotón, entonces la energía total se incrementa y deja de ser un estado de nada; ya no hay vacío.

Lo que hemos definido como estado de vacío se basa en la posibilidad que se tiene de precisar con exactitud qué se entiende por «energía total» de un sistema físico. Para ello, podemos considerar que la energía es equivalente a la masa y que la masa genera un campo gravitatorio. Si observamos un sistema físico cualquiera y medimos el campo gravitatorio que produce, podemos determinar su masa total y, en consecuencia, su energía total. Pero sólo puede asignarse a este campo gravitatorio producido por el sistema un significado inequívoco si el espacio es plano a grandes distancias del sistema. Si el espacio no es plano a grandes distancias, sino curvo, podría considerarse que la curvatura se debe a la presencia de un campo gravitatorio adicional que no puede separarse del que produce la materia. Esto significa que no podemos determinar el campo gravitatorio de la materia ni, en consecuencia, la energía del sistema.

En consecuencia, la «energía total» de un sistema físico es un concepto solamente aplicable en un estado de espacio geométrico plano, y que no tiene sentido si admitimos una curvatura arbitraria de éste. Como el espacio de todo el universo puede curvarse, la energía total del universo no será en realidad un concepto significativo. Lo anterior puede sorprender, ya que se trata de una conclusión en la cual los conceptos de energía total y conservación de energía total no se aplican a todo el universo, pero es cierta. Indica que si hemos de definir la nada (el estado de vacío) de modo que la definición pueda aplicarse a todo el universo, debemos buscar características del vacío independientes del concepto de «energía total».

Uno de los requisitos que debe comportar el estado de vacío es que eléctricamente debe ser neutro; no debe tener carga eléctrica ni ningún tipo de carga conservada, como son las que se manejan dentro del marco de la física de partículas cuánticas; ya que, si el vacío tuviese esa carga total neta absolutamente conservada, no podríamos nunca librarnos de todas las partículas que llevan la carga y, en consecuencia, el vacío sería algo y no «nada»...como se requiere.

Ahora bien, si definimos el vacío como el estado en que todas las cantidades físicamente conservadas son cero, sorprendentemente, nos encontraríamos con que el universo entero seria equivalente a nada. Puede parecer absurdo, ya que la común reacción enmarcada dentro de la naturaleza humana es que el universo entero es todo, no «nada». Pero si analizamos detenidamente este supuesto, vemos que el universo podría equivaler en realidad a un estado de nada y, por tanto, es posible que nuestro universo naciese del vacío. En efecto, la suma de todas las cargas conservadas, como la carga eléctrica, puede ser cero para el total del universo. En consecuencia, el universo pudo crearse del vacío. No hay ninguna ley física que prohíba la creación ex-nihilo.

Por otra parte, podría considerarse una pequeña fluctuación cuántica en el vacío que, primero se inflacta, y posteriormente da origen al universo al convertirse en el Big Bang. Al igual que las partículas cuánticas pueden crearse de forma espontánea a partir del vacío, también el universo podría crearse a partir del vacío. Pero aunque una fluctuación cuántica espontánea en el vacío pueda producir momentáneamente una partícula y una antipartícula, éstas se destruyen rápidamente: de ahí que la producción concreta de partículas reales, dado que tales partículas tienen energía neta positiva, entrañe una violación del principio de conservación de la energía. Aunque se pueda violar la norma de conservación de la energía según la relación de incertidumbre cuántica, sólo podrá violarse durante corto tiempo. ¿Cómo puede surgir entonces todo el universo de una fluctuación cuántica del vacío si ni siquiera pueden surgir de él dos partículas?

La razón que podría esgrimirse de que del espacio vacío no broten hoy partículas fundamentales, es que nuestro espacio es muy plano y, en un espacio así, la ley de conservación de la energía impide el proceso. Pero en el universo muy primitivo el espacio era muy curvo, por lo que la conservación de la energía total carecía de sentido. Si el espacio es muy curvo, puede producirse una fluctuación cuántica del vacío que cree partículas fundamentales. Esa fluctuación podría «escaparse», creando las diversas partículas cuánticas que hoy identificamos con el Big Bang.

Por otro lado, las fluctuaciones cuánticas en la geometría del espaciotiempo pudieron producir partículas y antipartículas durante la era de Planck. Estas partículas recién creadas eliminarían energía gravitatoria de la geometría fluctuante, y acabarían eliminando las fluctuaciones y produciendo un universo caliente como en el modelo del Big Bang.

También, dentro del círculo de los físicos, un grupo de ellos ha pensado que el estado de la nada, a partir del cual se inicia el universo, es el espacio vacío plano. Para ello se basan en que si en un espacio tal una fluctuación cuántica produce partículas, sus interacciones gravitatorias hacen que el espacio se curve. Luego se va produciendo un chorro de partículas y el espacio se va curvando, con lo que surge del espacio plano vacío un universo abierto, en expansión, lleno de materia. Sobre esta idea, varios físicos formularon un modelo que describe el surgimiento desde la nada del universo como producto de un proceso cuántico. Concluyen en su trabajo que las leyes de la mecánica cuántica formuladas en el marco relativista general no contradicen en absoluto la creación espontánea de toda la materia y la radiación del universo. Esta creación tiene, en principio, un origen espaciotemporal arbitrario.

Pero persiste una incógnita: en cuanto se inicia esa fluctuación del vacío, puede mantenerse en movimiento, pero, ¿cómo se inicia?

Uno de los modelos es el que elaboró en 1981 el malogrado físico-matemático Heins R. Pagels junto con el David Atkatz. Su formulación matemática conlleva a que el origen del universo es producto de una penetración mecánico-cuántica, semejante a la desintegración de un núcleo atómico cuando sus partículas atraviesan directamente la barrera nuclear que ordinariamente las contiene.

El origen del universo puede concebirse como un fenómeno de este tipo, claro está, que con consecuencias más espectaculares. La idea medular es que el estado inicial de «nada» es un estado de vacío falso: como una burbuja situada detrás de una barrera que tiene una probabilidad pequeña pero finita de atravesarla hacia un estado de energía menor. Al hacerlo, el falso vacío se desintegra en el estado del Big Bang de partículas interactuantes.

Según el modelo Atkatz-Pagels, el universo tenía que ser cerrado espacialmente, un universo compacto. De acuerdo con ello, el espacio inicial del universo («la nada») es un espacio formado por una pequeña «burbuja» sin materia de la cual surge el universo como un espacio multidimensional compacto. Un subespacio tetradimensional de este espacio multidimensional penetra luego en la configuración física del Big Bang, representando el resto las simetrías internas observadas. Según este punto de vista, el universo surge como un espacio multidimensional con un alto grado de simetría. Pero un universo con esta geometría puede ser inestable y experimentar una desintegración por el mecanismo de penetración. En consecuencia, las cuatro dimensiones se convierten en dimensiones «grandes» y su tamaño se expande muy deprisa, mientras que el resto (las dimensiones pequeñas) sigue siendo pequeño y se halla hoy presente en las simetrías «internas» de las partículas cuánticas.

Tanto los modelos que hemos expuesto hasta ahora sobre el posible origen del universo, como otros semejantes que circulan o lo han hecho en los medios de difusión científica, parten de la existencia previa de un espacio vacío de algún tipo: el vacío del que todo surgió. Unos parten de un espacio plano, vacío y tetradimensional. Otros, como el de Atkatz-Pagels, parten de un espacio cerrado, el que pueden haber más de cuatro dimensiones. Sin embargo, la idea de mayor presencia en el pensamiento de los científicos es aquella que considera que el espacio sigue siendo algo, y que en realidad el universo debió haber surgido de la «nada». Sin espacio, sin tiempo... sin nada.

La nada de «antes» de la creación del universo es el vacío más completo que podamos imaginar: no existían espacio ni tiempo ni materia. Es un mundo sin lugar ni duración ni eternidad ni número: es lo que los matemáticos llaman «el conjunto vacío». Sin embargo, este vacío inconcebible se convierte en la plenitud de la existencia: consecuencia necesaria de las leyes físicas. ¿Dónde están escritas esas leyes en ese vacío? ¿Quién le «dice» al vacío que está preñado de un posible universo? Es como si hasta el vacío estuviese sometido a una ley, a una lógica previa al espacio y el tiempo.

Actualmente, los modelos sobre el origen del universo parten de la existencia previa de un espacio vacío desde el cual todo se origina. Vimos un modelo que partía de un espacio plano, vacío y tetradimensional. Analizamos otro en el cual sus autores partían de un espacio cerrado, en el cual se podría dar la existencia de más de cuatro dimensiones. Veamos ahora uno con la idea de un universo inflacionario.

En 1983, el físico teórico Alex Vilenkin escribió el artículo «El nacimiento de universos inflacionarios», en que exponía un modelo matemático donde se fundamenta que «nada es nada». Para Vilenkin, la «nada» (ni espacio ni tiempo) penetraban según la mecánica cuántica en una geometría de espacio y de tiempo, de la cual podría surgir una etapa inflacionaria del universo.Su modelo iba más lejos que las ideas similares anteriores, en las cuales se soslaya un mecanismo precisamente definido. Pero, ¿cómo pueden surgir el tiempo y el espacio de la «nada»?

Habiendo estudiado distintas variantes del modelo inflacionario, ello nos condiciona para usar la imaginación y poder entender lo que nos quiso decir Vilenkin. Tomemos la imagen de un universo inflacionario cerrado como un anillo elástico. Utilicemos esta imagen en la creación del universo. En este caso un universo unidimensional. En la medida que el tiempo retrocede, el anillo se encoge hasta convertirse en un punto y luego desaparece. Desde nuestra condición natural de un espacio tridimensional, el anillo está encajado en nuestro espacio y desaparece en nuestro espacio. Pero no ocurre lo mismo con un supuesto ser habitante del espacio unidimensional del anillo, dado que ese espacio no se desvanece en otro de dimensiones mayores. Simplemente desaparece. El espaciotiempo tetradimensional real de nuestro universo puede simplemente desaparecer del mismo modo en la nada absoluta como, asimismo, también puede surgir de ella.

Utilizando las ideas generales de la mecánica cuántica, pero sin disponer de una teoría detallada de la gravedad cuántica, Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, y James Hartle, de la Universidad de California en Santa Bárbara, junto a otros especialistas, han intentado recientemente calcular las condiciones iniciales esperables de nuestro universo. Estos cálculos no implican en absoluto la observación del universo actual ni su análisis retrospectivo. Hawking y Hartle se proponen calcular cómo debió crearse el universo –en función de los conceptos generales de la teoría cuántica y la teoría de la relatividad– y luego seguir trabajando a partir de allí. Claro está que la complejidad de los detalles de un cálculo de este tipo, por ahora, lo hace impracticable sin una teoría de la gravedad cuántica; incluso con ella (si se logra al fin formular), puede que el cálculo resulte demasiado complicado para llevarlo a la práctica. No obstante, incluso si dicho cálculo pudiese realizarse de manera confiable, las condiciones iniciales quizá no deberían asumirse como un dato; estarían en la misma situación que las leyes de la naturaleza. En principio, todos los aspectos del universo podrían calcularse y explicarse.

Modelo De la Gravedad Cuántica. En la versión de Hartle-Hawking, el espaciotiempo se curva antes del tiempo de Planck, de modo que aunque el pasado es finito, el inicio no tiene fronteras limitantes.

Durante un tiempo, muchos científicos pensaron que la idea de un principio del universo de extremadamente alta densidad era un artilugio hipotético, fruto de las idealizaciones del modelo del Big Bang, como el postulado de la homogeneidad. No obstante, a mediados de la década de 1960, Roger Penrose y Stephen Hawking probaron matemáticamente que, incluso si el universo no es homogéneo, su actual comportamiento expansivo, unido a la teoría de la relatividad general, implican que el universo debe haber tenido una formidable densidad en el pasado, retrocediendo en el tiempo por lo menos hasta la era de Planck, que es hasta donde se aplica la relatividad general clásica. Para comprender el estado inicial del universo, entonces, parece imprescindible abordar el tema de la cosmología cuántica.

Algunos cosmólogos, en especial los teóricos, piensan que jamás lograremos entender por qué el universo es como es hasta que no comprendamos sus condiciones iniciales y dispongamos de una teoría de la gravedad cuántica, lo cual podría estar aún muy lejos.

Tanto estas ideas sobre el origen del universo, como otras que se nos quedan en el tintero, son bastante permeables frente a argumentos técnicos. Generalmente, se aduce que en todos esos modelos se fuerzan los conceptos y teorías actuales bastante más de lo comprobado experimentalmente y, en consecuencia, no pasan de ser conjeturas fantásticas. Es muy posible que estos críticos tengan razón. Es muy posible que toda una comunidad de científicos muy ilustres acabe aceptando una teoría del universo muy primitivo que, en el futuro (con la sabiduría que proporciona el paso del tiempo), se considere una fantasía basada en una información incompleta y en unas extrapolaciones fantásticas. La elaboración teórica, aunque aporte una estructura al pensamiento, jamás puede sustituir a la experimentación y a la observación. Los nuevos aceleradores de alta energía y los poderosos telescopios tendrán mucho que aportar sobre la veracidad o la falsedad de estas ideas.

Es muy probable que muchas ideas científicas actuales sobre la física cuántica, la astrofísica y la cosmología, sean erróneas y acaben arrinconadas y desechadas. Es posible que en el futuro se produzca una revolución trascendental en la física que modifique toda nuestra concepción de la realidad. Puede que miremos hacia atrás y que nuestros intentos actuales de desentrañar el origen del universo nos parezcan tan equivocados como las tentativas de los filósofos medievales de entender el sistema solar antes de las revelaciones de Copérnico, Kepler, Galileo y Newton. Lo que consideramos hoy «el origen del universo» puede ser el umbral temporal de mundos que quedan fuera del alcance de la imaginación. Pero es posible también que nos estemos acercando al final de la búsqueda. Nadie lo sabe.