martes, 26 de febrero de 2008

Desde el Big Bang hasta el destino del Universo. Stephen W. Hawking

En la década de 1970, me dediqué básicamente a los agujeros negros. Sin embargo, mi interés por el origen del universo se reavivó en 1981, cuando asistí a una conferencia sobre cosmología en el Vaticano. La Iglesia católica había cometido un lamentable error con Galileo cuando trató de imponer su ley sobre una cuestión científica, declarando que el Sol giraba alrededor de la Tierra.

Al final de la conferencia, se nos concedió a los participantes una audiencia con el Papa. Nos dijo que estaba bien estudiar la evolución del universo después del big bang, pero que no deberíamos investigar sobre el propio big bang porque eso era el momento de la creación y, por consiguiente, la obra de Dios. Entonces me alegré de que él no conociera el tema de la conferencia que yo acababa de dar, pues no tenía ganas de compartir el destino de Galileo; siento mucha simpatía por Galileo, en parte porque nací exactamente 300 años después de su muerte (...).

La imagen de un universo que empezó muy caliente y se enfrió a medida que se expandía está de acuerdo con todas las pruebas observacionales que tenemos. Sin embargo, deja varias preguntas sin respuesta. En primer lugar, ¿por qué estaba tan caliente el universo primitivo? En segundo, ¿por qué es el universo tan uniforme a gran escala, por qué parece igual en todos los puntos del espacio y en todas las direcciones? Tercero, ¿por qué el universo empezó tan cerca de la velocidad de expansión crítica para no volver a colapsar? Si la velocidad de expansión un segundo después del big bang hubiera sido menor, el universo habría vuelto a colapsar antes de que hubiese alcanzado su tamaño actual. Por el contrario, si la velocidad de expansión un segundo después hubiera sido mayor, se habría expandido tanto que ahora estaría prácticamente vacío.

En cuarto lugar, pese al hecho de que el universo es tan uniforme y homogéneo a gran escala, contiene grumos locales como estrellas y galaxias. Se cree que éstas se han desarrollado a partir de pequeñas diferencias en la densidad del universo primitivo de una región a otra. ¿Cuál era el origen de estas fluctuaciones de densidad?

La teoría de la relatividad general, por sí sola, no puede explicar estos aspectos ni responder a estas preguntas. La razón es que predice que el universo empezó con densidad infinita en la singularidad del big bang. En la singularidad, la relatividad general y todas las demás leyes de la física dejan de ser válidas. No se puede predecir lo que vaya a salir de la singularidad.

Esto significa que se podría prescindir perfectamente de todos los sucesos anteriores al big bang, porque no pueden tener ningún efecto sobre lo que observamos. El espacio-tiempo tendría una frontera: un comienzo en el big bang. ¿Por qué el universo debería haber empezado en el big bang de la manera precisa que ha llevado al estado que observamos hoy? ¿Por qué es el universo tan uniforme, y se está expandiendo precisamente a la velocidad crítica para no volver a colapsar? Nos sentiríamos más felices si pudiéramos demostrar que un universo como el que hoy observamos podría haber evolucionado a partir de un gran número de diferentes configuraciones iniciales.

Si es así, un universo que se desarrollase a partir de algún tipo de condiciones iniciales aleatorias debería contener varias regiones similares a la que observamos. Podría haber también regiones que fueran muy diferentes. Sin embargo, es muy probable que estas regiones no fueran apropiadas para la formación de galaxias y estrellas. Prerrequisitos esenciales para el desarrollo de vida inteligente, al menos tal como la conocemos. Así, pues, estas regiones no contendrían ningún ser que pudiera observarse como diferente.

Cuando consideramos la cosmología, tenemos que tener en cuenta el principio de selección según el cual vivimos en una región del universo adecuada para la vida inteligente. Esta consideración obvia y elemental es denominada principio antrópico. Supongamos, por el contrario, que para llegar a algo como lo que vemos hoy a nuestro alrededor, la etapa inicial del universo tuviera que escogerse de forma extraordinariamente cuidadosa. Entonces, sería poco probable que el universo contuviera alguna región en la que apareciera la vida.

En el modelo del big bang caliente, no había tiempo suficiente en el universo primitivo para que el calor fluyera de una región a otra. Esto significa que las diferentes regiones tendrían que haber empezado con la misma, exacta temperatura, para poder explicar el hecho de que el fondo de microondas tenga la misma temperatura en cualquier dirección que miremos. Además, la velocidad de expansión inicial tendría que haberse escogido de forma muy precisa para que el universo no haya vuelto a colapsar hasta ahora. Y esto significa que, si el modelo del big bang caliente fuera correcto, el estado inicial del universo debería haberse escogido con gran meticulosidad.

Sería muy difícil explicar por qué el universo debería haber empezado precisamente de esta manera, salvo como el acto de un Dios que pretendiera crear seres como nosotros (...).

Hay algo así como 1.080 partículas en la región del universo que podemos observar. ¿De dónde proceden? La respuesta es, en teoría cuántica, que las partículas pueden crearse a partir de la energía en forma de pares partícula/antipartícula. Pero esto plantea la pregunta: ¿de dónde procedía la energía? La respuesta es que la energía total del universo es exactamente cero.

La materia del universo está hecha de energía positiva. Sin embargo, toda la materia se atrae por gravedad. Dos trozos de materia que están próximos tienen menor energía que los mismos dos trozos separados a gran distancia. La razón es que hay que gastar energía para separarlos. Hay que tirar de ellos en contra de la fuerza gravitatoria que las atrae. Así, en cierto sentido, el campo gravitatorio tiene energía negativa. En el caso del universo en su conjunto, se puede demostrar que esta energía gravitatoria negativa cancela exactamente la energía positiva de la materia. Por lo tanto, la energía total del universo es cero.

Ahora bien, el doble de cero es también cero. Así, el universo puede duplicar la cantidad de energía de materia positiva, y duplicar también la energía gravitatoria negativa sin que se viole la conservación de la energía. Esto no sucede en la expansión normal del universo, en la que la densidad de energía de materia disminuye a medida que el universo se hace más grande. Sí sucede, sin embargo, en la expansión inflacionaria, porque la densidad de energía del estado sobreenfriado permanece constante mientras el universo se expande. Cuando el universo duplica su tamaño, tanto la energía de materia positiva como la energía gravitatoria negativa se duplican, de modo que la energía total sigue siendo cero. Según Guth: “Se dice que nada sale gratis. Pero el universo es la gratuidad definitiva”.

Actualmente, el universo no se está expandiendo de manera inflacionaria. Por lo tanto, tuvo que haber algún mecanismo que eliminara la muy alta constante cosmológica efectiva. Esto cambiaría la velocidad de expansión, que pasaría de ser acelerada a ser frenada por la gravedad, como la que tenemos hoy. A medida que el universo se expandiera y enfriara, cabría esperar que, con el tiempo, la simetría entre las fuerzas se rompiera, de la misma forma que el agua sobreenfriada siempre acaba por congelarse. La energía extra del estado de simetría intacta sería entonces liberada y recalentaría el universo. Luego, el universo seguiría expandiéndose y enfriándose, igual que en el modelo del big bang caliente.

Sin embargo, ahora habría una explicación de por qué el universo se estaba expandiendo exactamente a la velocidad crítica, y por qué diferentes regiones tenían la misma temperatura. En la propuesta original de Guth, se suponía que la transición a la simetría rota se producía de forma repentina, muy parecida a como aparecen cristales de hielo en el agua muy fría. La idea era que se habían formado “burbujas” de la nueva fase de simetría rota en la fase vieja, como burbujas de vapor rodeadas por agua hirviendo. Se suponía que las burbujas se expandían y se fusionaban unas con otras, hasta que el universo entero estaba en la nueva fase.

El problema, como varios colegas y yo lo apuntamos, era que el universo se estaba expandiendo tan rápidamente que las burbujas se estarían alejando unas de otras con demasiada rapidez para unirse. El universo quedaría en un estado nada uniforme, con regiones en las que habría simetría entre las diferentes fuerzas. Semejante modelo del universo no correspondería a lo que vemos.
En octubre de 1981 fui a Moscú, a una conferencia sobre gravedad cuántica. Después de la conferencia, impartí un seminario sobre el modelo inflacionario y sus problemas en el Instituto Astronómico Sternberg. Entre la audiencia había un joven ruso, Andréi Linde, que dijo que el problema de que las burbujas no se unieran podía evitarse si éstas fuesen muy grandes. En este caso, nuestra región del universo podría estar contenida dentro de una única burbuja (...).

En un espacio-tiempo euclídeo no hay diferencia entre la dirección temporal y las direcciones espaciales. Por el contrario, en el espacio-tiempo real, en el que los sucesos están etiquetados por valores reales de la coordenada temporal, es fácil ver la diferencia.

La dirección temporal está dentro del cono de luz, y las direcciones espaciales yacen fuera. Se puede considerar la utilización de un tiempo imaginario como un mero artificio (o truco) matemático para calcular respuestas acerca del espacio-tiempo real. Sin embargo, quizá sea mucho más que eso. Tal vez el espacio-tiempo euclídeo es el concepto fundamental, y lo que consideramos espacio-tiempo real es tan sólo obra de nuestra imaginación (...).

En la teoría clásica de la gravedad, que se basa en un espacio-tiempo real, el universo sólo puede comportarse de dos maneras. O bien ha existido durante un tiempo infinito, o bien ha tenido una singularidad en un tiempo finito en el pasado. De hecho, los teoremas de singularidad muestran que debe ocurrir la segunda posibilidad.

En la teoría cuántica de la gravedad, por el contrario, surge una tercera posibilidad. Puesto que se utilizan espacio-tiempos euclídeos, en los que la dirección temporal está en pie de igualdad con las direcciones espaciales, es posible que el espacio-tiempo sea finito en extensión y, pese a todo, no tenga singularidades que formen una frontera o borde. El espacio-tiempo sería como la superficie de la Tierra, sólo que con dos dimensiones más. La superficie de la Tierra es finita en extensión, pero no tiene ninguna frontera o borde. Si uno navega hacia la puesta de Sol, no caerá por un precipicio ni tropezará con una singularidad. Lo sé porque he dado la vuelta al mundo.

Si los espacio-tiempos euclídeos se remontaran directamente hasta un tiempo imaginario infinito o, por el contrario, empezaran en una singularidad, tendríamos el mismo problema que en la teoría clásica para especificar el estado inicial del universo. Dios puede saber cómo empezó el universo, pero nosotros no podemos dar ninguna razón concreta para pensar que empezó de una manera antes que de otra.

Por el contrario, la teoría cuántica de la gravedad ha abierto una nueva posibilidad. En ésta, no habría ninguna frontera para el espacio-tiempo. Por consiguiente, no habría ninguna necesidad de especificar el comportamiento en la frontera. No habría singularidades en las que las leyes de la ciencia dejaran de ser válidas ni bordes del espacio-tiempo en el que hubiera que apelar a Dios o a alguna nueva ley para establecer las condiciones de frontera para el espacio-tiempo. Se podría decir: “La condición de frontera del universo es que no tiene frontera”. El universo sería completamente autocontenido, y no estaría afectado por nada fuera del mismo. No sería ni creado ni destruido. Simplemente, sería.

Fue en el Vaticano donde sugerí por primera vez que quizá tiempo y espacio formaban, juntos, una superficie de tamaño finito, pero sin ninguna frontera o borde. No obstante, lo mío era bastante matemático, de modo que sus implicaciones para el papel de Dios en la creación del universo no fueron advertidas en ese momento (ni siquiera yo las advertí). En el momento de esa conferencia, no sabía cómo utilizar la idea de ausencia de frontera para hacer predicciones sobre el universo. Sin embargo, pasé el verano siguiente en la Universidad de California, en Santa Bárbara. Allí, mi amigo y colega Jim Hartle y yo calculamos qué condiciones debería satisfacer el universo si el espacio-tiempo no tuviera frontera (...).

Difícil de determinar en el caso de la gravedad cuántica, por dos razones. Primero, aún no estamos seguros de qué teoría combina satisfactoriamente la relatividad general y la mecánica cuántica, aunque sabemos mucho sobre la forma que debería tener dicha teoría. Segundo, cualquier modelo que describa el universo entero en detalle sería demasiado complicado matemáticamente para que pudiéramos deducir predicciones exactas. Por consiguiente, hay que hacer aproximaciones, e incluso entonces el problema de extraer predicciones sigue siendo difícil (...).

La historia del universo en el tiempo real sería muy diferente. Parecería empezar en un tamaño mínimo, igual al tamaño máximo de la historia en el tiempo imaginario. El universo se expandiría entonces en el tiempo real como hace en el modelo inflacionario. Sin embargo, no habría que suponer que el universo se creó de algún modo en el tipo de estado correcto. El universo se expandiría hasta un tamaño muy grande, pero finalmente colapsaría de nuevo en lo que parece una singularidad en el tiempo real. Así, en cierto sentido, seguimos estando condenados al fracaso, incluso si nos mantenemos lejos de los agujeros negros (...).

El denominado tiempo imaginario es realmente el tiempo fundamental, y lo que llamamos tiempo real es algo que creamos sólo en nuestra mente. En el tiempo real, el universo tiene un principio y un fin, en singularidades que forman una frontera para el espacio-tiempo, en las que las leyes de la ciencia dejan de ser válidas. Pero en el tiempo imaginario no hay singularidades ni fronteras. De modo que quizá lo que llamamos tiempo imaginario es realmente un tiempo más básico, y lo que llamamos tiempo real es sólo una idea, algo que inventamos para que nos ayude a describir cómo pensamos que es el universo (...).

La idea de que el espacio y el tiempo pueden formar una superficie cerrada sin fronteras también tiene profundas implicaciones para el papel de Dios en los asuntos del universo. Con el éxito de las teorías científicas para describir sucesos, la mayoría de la gente ha llegado a creer que Dios permite que el universo evolucione de acuerdo con un conjunto de leyes. El no parece intervenir en el universo para romperlas. Sin embargo, las leyes no nos dicen a qué debería parecerse el universo cuando empezó. Seguiría siendo voluntad de Dios darle cuerda al reloj y escoger cómo se puso en marcha. Mientras el universo tuviera un principio que fuera una singularidad, se podría suponer que fue creado por un agente exterior. Pero si el universo es en realidad completamente autocontenido, si no tiene frontera o borde, no sería ni creado ni destruido. Simplemente, sería. ¿Qué lugar habría, entonces, para un Creador?


1 comentario:

Anónimo dijo...

Mira vos!

=)