Nueva teoría sostiene que es posible que el universo nunca tuviera un principio

Al principio hubo… bueno, tal vez no hubo principio. Quizás nuestro universo siempre ha existido —y una nueva teoría de la gravedad cuántica revela cómo podría ser esto posible—.

«La realidad tiene tantas cosas que la mayoría de la gente asociaría con la ciencia ficción o incluso la fantasía», dijo Bruno Bento, un físico que estudia la naturaleza del tiempo en la Universidad de Liverpool en el Reino Unido.


En su trabajo, empleó una nueva teoría de la gravedad cuántica, llamada teoría de conjuntos causales, en la que el espacio y el tiempo se descomponen en trozos discretos. Según esta noción, hay una unidad fundamental de espacio-tiempo.

Bento y sus colaboradores utilizaron este enfoque de conjunto causal para explorar el comienzo del universo. Así, hallaron que es posible que no haya tenido un comienzo, que siempre ha existido en el pasado infinito y solo recientemente evolucionó hacia lo que llamamos el Big Bang.

Un cuanto de gravedad

La gravedad cuántica es quizás el problema más frustrante al que se enfrenta la física moderna. Tenemos dos teorías del universo extraordinariamente efectivas: la física cuántica y la relatividad general.

La física cuántica ha producido una descripción exitosa de tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte) hasta escalas microscópicas. La relatividad general, por otro lado, es la descripción más poderosa y completa de la gravedad jamás ideada.

Pero a pesar de todas sus fortalezas, la relatividad general es incompleta. En al menos dos lugares específicos del cosmos, las matemáticas de la relatividad general simplemente se rompen, sin producir resultados confiables: en los centros de los agujeros negros y al comienzo del universo.

El Big Bang y su evolución posterior hasta hoy en día.

Estas regiones se llaman «singularidades», que son puntos en el espacio-tiempo donde nuestras leyes actuales de la física se desmoronan, y son señales matemáticas de advertencia de que la teoría de la relatividad general se está tropezando con sí misma. Dentro de estas dos singularidades, la gravedad se vuelve increíblemente fuerte a escalas de longitud muy pequeñas.

Como tal, para resolver los misterios de las singularidades, los físicos necesitan una descripción microscópica de la gravedad fuerte, también llamada teoría cuántica de la gravedad. Hay muchos contendientes, incluida la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles.

Y ahora hay otro enfoque que reescribe completamente nuestra comprensión del espacio y el tiempo. Teoría de conjuntos causales

Teoría de conjuntos causales

En todas las teorías actuales de la física, el espacio y el tiempo son continuos. Forman un tejido suave que subyace a toda la realidad. En un espacio-tiempo tan continuo, dos puntos pueden estar tan cerca uno del otro en el espacio como sea posible, y dos eventos pueden ocurrir lo más cerca posible el uno del otro en el tiempo.

Pero otro enfoque, llamado teoría de conjuntos causales, reinventa el espacio-tiempo como una serie de fragmentos discretos, o «átomos» del espacio-tiempo. Esta teoría impondría límites estrictos a la proximidad de los eventos en el espacio y el tiempo, ya que no pueden estar más cerca que el tamaño del «átomo».

Un conjunto causal. Los elementos se representan como nodos y el orden está indicado por los bordes: el elemento «x» precede al elemento «y» si y solo si hay una ruta ascendente desde «x» hasta «y». La porción del conjunto causal que se encuentra en la región sombreada está bien aproximada por un espacio-tiempo continuo. El resto del conjunto causal forma la era de la gravedad cuántica que precede a la singularidad del Big Bang

.

Por ejemplo, si estás mirando tu pantalla leyendo esto, todo parece fluido y continuo. Pero si tuvieras que mirar la misma pantalla a través de una lupa, es posible que veas los píxeles que dividen el espacio y descubrirás que es imposible acercar dos imágenes en tu pantalla más que un solo píxel.

Esta teoría de la física entusiasmó a Bento.

«Me encantó encontrar esta teoría, que no solo trata de ser lo más fundamental posible —siendo un enfoque de la gravedad cuántica y repensando la noción de espacio-tiempo en sí misma—, sino que también le da un papel central al tiempo y lo que físicamente significa que el tiempo pase, qué tan físico es realmente tu pasado y si el futuro ya existe o no», dijo el científico.

Principio de los tiempos

La teoría de conjuntos causales tiene importantes implicaciones para la naturaleza del tiempo.

«Una gran parte de la filosofía del conjunto causal es que el paso del tiempo es algo físico, que no debe atribuirse a algún tipo de ilusión emergente o a algo que sucede dentro de nuestro cerebro que nos hace pensar que el tiempo pasa; este paso es, en sí mismo, una manifestación de la teoría física», aclaró Bento.

«Entonces, en la teoría de conjuntos causales, un conjunto causal crecerá un “átomo” a la vez y se hará cada vez más grande».

El enfoque del conjunto causal elimina claramente el problema de la singularidad del Big Bang porque, en la teoría, las singularidades no pueden existir. Es imposible que la materia se comprima en puntos infinitamente diminutos; no pueden ser más pequeños que el tamaño de un átomo del espacio-tiempo.

¿Comenzó todo realmente con el Big Bang o solo fue una parte de la evolución del universo?

Entonces, sin una singularidad del Big Bang, ¿cómo se ve el comienzo de nuestro universo? Ahí es donde Bento y su colaborador, Stav Zalel, un estudiante de posgrado en el Imperial College de Londres, retomaron el hilo y exploraron lo que la teoría de conjuntos causales tiene que decir sobre los momentos iniciales del universo.

Su trabajo aparece en un artículo publicado en la base de datos de preimpresión arXiv (aún no se ha publicado en una revista científica revisada por pares).

El documento examinó «si debe existir un comienzo en el enfoque del conjunto causal», precisó Bento. «En la formulación y la dinámica del conjunto causal original, clásicamente hablando, un conjunto causal crece de la nada al universo que vemos hoy. En cambio, en nuestro trabajo, no habría Big Bang como un comienzo, ya que el conjunto causal sería infinito para el pasado, por lo que siempre hay algo antes».

Esto implica que el universo puede no haber tenido un comienzo, que simplemente siempre ha existido. Lo que percibimos como el Big Bang puede haber sido solo un momento particular en la evolución de este conjunto causal siempre existente, no un verdadero comienzo.

Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer. Todavía no está claro si este enfoque causal sin principio puede permitir teorías físicas con las que podamos trabajar para describir la compleja evolución del universo durante el Big Bang.

«Uno todavía puede preguntarse si este enfoque puede interpretarse de una manera “razonable”, o qué significa físicamente esa dinámica en un sentido más amplio, pero demostramos que un marco es realmente posible», concluyó Bento. «Así que al menos matemáticamente, esto se puede hacer».

En otras palabras, ya es un… comienzo.

La muerte del universo será lenta pero imparable: dejarán de nacer nuevas estrellas y las viejas morirán, los agujeros negros supermasivos engullirán sus galaxias y empezarán a evaporarse, mientras los protones de todo el universo empiezan a desintegrarse lentamente.

Que el universo empezó hace unos 13 800 millones de años en un estado infinitamente (o tan cerca que somos incapaces de distinguirlo) caliente, denso y pequeño es algo que conocemos con certeza, por evidencias recogidas durante el último siglo y que están sintetizadas en la teoría del Big Bang. Sin embargo el destino final del universo, su muerte, es algo que se nos escapa. La tendencia general la tenemos bastante clara, pero los detalles requieren de un conocimiento profundísimo de la física de partículas que a día de hoy no tenemos.

El destino del universo está íntimamente relacionado con su energía y con la capacidad de los diferentes objetos que lo pueblan de intercambiar energía entre sí. Por supuesto el final no llegará en una catástrofe repentina, no será tan fácilmente identificable como un Big Bang, que sí ocurrió en una época determinada. La muerte del universo será lenta, gradual, progresiva y afectará a unos astros antes que a otros.

Los primeros astros en desaparecer serán las estrellas, o más concretamente las estrellas en la secuencia principal, en la fase de sus vidas en las que obtienen energía mediante la fusión nuclear de hidrógeno. Nuestro sol morirá en unos 5 000 millones de años, expulsando sus capas exteriores y dejando atrás una enana blanca, un objeto del tamaño de la Tierra, con aproximadamente la mitad de su masa y que brilla por el calor residual. Más o menos al mismo tiempo, la Vía Láctea y Andrómeda estarán chocando. Durante este proceso sus nubes de gas intergaláctico se fusionarán y darán lugar a nuevas estrellas. Las viejas estrellas probablemente no chocarán entre sí, pero sí lo harán, con el tiempo, los agujeros negros supermasivos que ocupan el centro de ambas galaxias.


Durante mucho tiempo seguirán formándose nuevas estrellas, por el choque de galaxias o por la compresión de nubes de gas y polvo repartidas por el universo. Cuando el universo tenga unas mil veces la edad actual, es decir dentro de unos 10 billones de años (millones de millones de años), las estrellas menos masivas empezarán a morir. Estrellas como Próxima Centauri o TRAPPIST-1 habrán agotado todo el hidrógeno de su interior y, como el Sol, dejarán tras de sí una diminuta enana blanca. Al cabo de unos 100 billones de años calculamos que dejarán de crearse nuevas estrellas por los métodos convencionales, es decir, a partir de nubes gigantescas de gas y polvo que se contraen y colapsan bajo su propia gravedad.

A pesar de esto podrán formarse estrellas por otros métodos, aunque a un ritmo muchísimo más lento. Una posibilidad está en la colisión eventual de enanas marrones, objetos a medio camino entre los gigantes gaseosos como Júpiter y las estrellas más pequeñas. En estos objetos no se produce la fusión nuclear de hidrógeno, por lo que no son técnicamente estrellas. Si varios de estos objetos se fusionan pueden alcanzar suficiente masa como para iniciar la fusión nuclear y convertirse en verdaderas estrellas. Otra posibilidad, todavía más remota, es que los sistemas binarios de enanas marrones acaben decayendo y fusionándose entre sí, otra vez creando nuevas estrellas en el proceso. Esta será la principal fuente de nuevas estrellas cuando el universo tenga trillones de años de edad, o más de un millón de veces su edad actual.

Mientras todo esto ocurra los planetas que hayan quedado orbitando alrededor de las estrellas muertas irán decayendo también, perdiendo energía en forma de ondas gravitatorias y acercándose lenta pero inexorablemente a sus estrellas, hasta chocar con ellas. También los propios cadáveres estelares irán decayendo por el mismo proceso y acercándose al agujero negro supermasivo del centro de su galaxia.

Durante esta época lo que quedarán serán enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros de masa estelar, orbitando alrededor del gran agujero negro central. La mayoría de la masa de estas galaxias muertas tomará la forma de enanas blancas, que poco a poco irán alimentando al agujero negro. Se prevé que para ésta época, los remanentes estelares hayan “consumido” toda la materia oscura presente en el halo de una galaxia como la nuestra. Esta materia oscura se espera que solo pueda interaccionar con la materia ordinaria por procesos muy complicados y poco habituales, de forma que su efecto solo se note a escalas de trillones y cuatrillones de años.

Al cabo de un quintillón de años de edad (un 1 seguido de 30 ceros), en el universo solo habrá prácticamente agujeros negros del tamaño de galaxias. Al cabo de mil veces ese tiempo, mil quintillón de años, estos agujeros negros habrán alcanzado la masa de cúmulos de galaxias. Los objetos que fortuitamente hayan conseguido escapar de la influencia de agujeros negros, por haber sido expulsados al medio intergaláctico por ejemplo, empezarán a desaparecer por la desintegración de los protones que contienen. Esta desintegración que no ha sido observada, creemos que debería ocurrir en escalas temporales del orden del sextillón de años. Primero se desintegrarán los planetas, luego las enanas blancas y después las estrellas de neutrones.

Al mismo tiempo, pero a un ritmo todavía más lento, los agujeros negros irán desapareciendo. Estos astros no son eternos y creemos que deberían perder masa por lo que se conoce como radiación de Hawking, sufriendo una “evaporación”. Este proceso es inconcebiblemente lento y creemos que los agujeros negros con masas similares a la del Sol tardarán quintillones de quintillones de años en evaporarse. Los agujeros negros más grandes, con masas del orden de galaxias y cúmulos de galaxias, podrían tardar otro quintillón de veces más tiempo en hacerlo.

Será por esta época que habremos llegado al final del universo, a su muerte, al punto en el que todo el universo se encuentre a la misma temperatura, apenas por encima del cero absoluto y no haya ningún proceso de intercambio de calor posible, ninguna energía útil que pueda provocar ni el más minúsculo e insignificante proceso.

Aunque tenemos bastante certeza de que lo aquí narrado va a ocurrir, antes o después, el orden exacto y los tiempos concretos resultan difíciles de estimar. Existen varias consideraciones teóricas que podrían cambiar esta imagen bastante. Las cuestiones importantes incluyen si el protón se desintegra y a qué ritmo lo hace, cuál es el estado del vacío del universo, la naturaleza de la materia oscura, la fracción de estrellas que acabarán en forma de enana blanca, estrella de neutrones o agujero negro, la fracción que se acumulan en el agujero negro central, y si las leyes de la física permanecen constantes en el tiempo o sin embargo pueden llegar a cambiar.

Link.