El origen del Universo

Según la gente del Boshongo, en África Central, en el comienzo sólo había oscuridad, agua y el gran dios Bumba. Un día Bumba, quien sufría dolores de estómago, vomitó el sol. El sol secó parte del agua, y surgió la tierra. Todavía sufriendo dolores estomacales, Bumba vomitó la luna, las estrellas y algunos animales como el leopardo, el cocodrilo, la tortuga y, finalmente, el hombre.

Este mito sobre la creación, como muchos otros, trata de responder las preguntas que todos nos hacemos. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde venimos? La respuesta que generalmente se da es que los orígenes de la Humanidad son relativamente recientes, pues debe haber sido obvio, incluso desde épocas muy tempranas, que la Humanidad mejoraba en conocimiento y tecnología. Así que no puede haber sido hace mucho tiempo, si no, la Humanidad habría progresado mucho más. Por ejemplo, según el Obispo Usher, en el libro del Génesis, la creación del mundo fue realizada el 27 de octubre a las 9 de la mañana en el año 4004 antes de Cristo. Por otro lado, el entorno físico, como las montañas y los ríos, cambian muy poco en el curso de una vida humana. Esos elementos parece haber sido un fondo constante; o bien han existido siempre como un paisaje vacío, o han sido creados al mismo tiempo que los seres humanos.

No todo el mundo, sin embargo, estaba feliz con la idea de que el universo tuviera un comienzo. Por ejemplo, Aristóteles, el más famoso de los filósofos griegos, creía que el universo había existido por siempre. Algo eterno es más perfecto que algo creado. Él sugirió que la razón por la cual veíamos el progreso era que las inundaciones, o cualquier otro desastre natural, habían remitido a la civilización repetidamente a sus orígenes. La motivación para creer en un Universo eterno era el deseo de evitar la invocación de la intervención divina para que creara el Universo y lo pusiera en funcionamiento. Por el contrario, aquellos que creían que el Universo tuvo un comienzo, usaron esto como un argumento para probar la existencia de Dios, como primera causa, o como él que puso en movimiento el Universo.

Si uno creía que el Universo tuvo un comienzo, la pregunta obvia era: ¿qué pasó antes del comienzo? ¿Qué estaba haciendo Dios antes de que creara el mundo? ¿Estaba preparando el infierno para la gente que se hacía tales preguntas? El problema de si el universo tenía o no un comienzo fue una gran preocupación para el filósofo alemán Immanuel Kant. Sentía que había contradicciones lógicas o antinomias, cualquiera fuese el caso. Si el Universo tenía un comienzo, ¿por qué esperó un tiempo infinito antes de que empezara? Kant llamó a esto la tesis. Por otro lado, si el Universo había existido por siempre, ¿por qué tomó un tiempo infinito para que alcanzara el presente estadio? A eso lo llamó la antítesis. Ambas, la tesis y la antitesis, dependían del supuesto de Kant, junto con casi todos los demás, de que el tiempo era absoluto. Es decir, se partió de un pasado infinito hacia un futuro infinito, independientemente de cualquier Universo que pudiera o no existir en este escenario.

Esto es lo que, aún hoy en día, piensan algunos científicos. Sin embargo, en 1915, Einstein introdujo su revolucionaria Teoría General de la Relatividad. Según esta teoría, el espacio y el tiempo ya no eran absolutos, ya no eran un escenario fijo para los eventos. En cambio, eran medidas dinámicas que fueron moldeadas por la materia y la energía en el Universo. Fueron definidas sólo dentro del Universo, así que no tenía sentido hablar del tiempo antes de que el Universo comenzara. Sería como preguntarse por el punto sur del Polo Sur. No está definido.

Si el Universo era esencialmente inmutable en tiempo, como se asumía generalmente antes de 1920, no habría razón para que el tiempo no fuera definido arbitrariamente como se pensaba antes. Cualquier supuesto comienzo del Universo sería artificial, en el sentido de que uno podría extender la historia a tiempos más tempranos. Podría ser que el universo fuese creado el año pasado, pero con todos los recuerdos y las evidencias físicas, pareciera ser mucho más viejo. Esto hace surgir cuestiones filosóficas profundas sobre el significado de la existencia. Debo manejarlas adoptando lo que se conoce como el enfoque positivista. Según éste, interpretamos los datos que perciben nuestros sentidos en términos de un modelo que hacemos del mundo. Uno no puede preguntarse si el modelo representa la realidad, sólo si funciona este modelo. Un modelo es un buen modelo si primero interpreta un amplio rango de observaciones, en términos de un modelo simple y elegante. Y en segundo lugar, si el modelo hace predicciones certeras que puedan ser probadas, y posiblemente alteradas por la observación.

En términos del enfoque positivista, uno puede comparar dos modelos del Universo. Uno en el cual el Universo fue creado el año pasado, y otro en el cual el Universo existía desde hace mucho tiempo. En el modelo en el cual el universo existía desde hace mucho tiempo se pueden explicar las cosas como si fueran gemelos idénticos que tienen una causa común hace más de un año. Por otro lado, el modelo en el cual el Universo fue creado el año pasado no pueden explicar tales eventos. Así que el primer modelo es mejor. Uno no puede preguntarse si el Universo realmente existía un año atrás, o si simplemente apareció. En el enfoque positivista, son lo mismo.

En un Universo que no cambia no habría un punto de comienzo natural. La situación cambió radicalmente cuando Edwin Hubble comenzó a hacer observaciones con un telescopio de cien pulgadas en el Monte Wilson durante los años veinte. Hubble descubrió que las estrellas no están distribuidas uniformemente a través del espacio, pero están juntas en vastas colecciones que llamamos galaxias.

Midiendo la luz de las galaxias, Hubble pudo determinar sus velocidades. Él previó que mientras muchas galaxias se movían hacia nosotros, nosotros nos alejábamos. Eso es lo que uno tendría en un Universo que fuese invariable con el tiempo. Pero para su sorpresa, Hubble descubrió que casi todas las galaxias se alejaban de nosotros. Más aún, mientras más lejos estaban las galaxias de nosotros, más rápido se movían alejándose. El Universo no era invariable con el tiempo, como todo el mundo pensaba anteriormente. Se estaba expandiendo. La distancia entre galaxias lejanas estaba aumentando con el tiempo.

La expansión del Universo fue uno de los descubrimientos intelectuales más importantes del siglo XX o de cualquier otro siglo. Transformó el debate sobre si el Universo tuvo un comienzo. Si las galaxias se estaban alejando de nosotros, deben haber estado más cerca unas de las otras en el pasado. Si su velocidad hubiese sido constante, tendrían que haber estado una encima de otra, alrededor de quince millardos de años atrás. ¿Fue este el comienzo del Universo? Muchos científicos todavía estaban descontentos con que el Universo tuviera un comienzo, porque parecía implicar que la física había dejado de funcionar. Uno tendría que invocar una entidad externa, que, por conveniencia, llamamos Dios, para determinar cómo comenzó el Universo. Por lo tanto, ellos avanzaron con sus teorías en las cuales el Universo se estaba expandiendo en el tiempo presente, sin haber tenido un comienzo. Una de esas teorías fue la Teoría del Estado Estacionario (Steady State Theory), propuesta por Bondi, Gold y Hoyle en 1948.

En la Teoría del Estado Estacionario, mientras las galaxias se alejan, la idea es que nuevas galaxias se forman con materia que ha estado creándose continuamente en el espacio. El Universo habría existido por siempre y habría estado siempre igual. Esta última particularidad tuvo la gran virtud, desde un punto de vista positivista, de ser una predicción certera que pudo ser comprobada a través de la observación. El grupo de radioastronomía de Cambridge, bajo la dirección de Martin Ryle, hizo una encuesta sobre las fuentes débiles de radio a comienzos de los años sesenta. Éstas estaban distribuidas de manera bastante uniforme en el cielo, indicando que la mayoría de los fuentes se sitúan afuera de nuestra galaxia. Las fuentes más débiles, en promedio, estarían más alejadas.

La Teoría del Estado Estacionario predijo la forma del diagrama del número de fuentes contra el origen de la fuerza. Las observaciones demostraron más fuentes apenas perceptibles de lo que se predijo, indicando que la densidad de las fuentes era más alta en el pasado. Esto era contrario a la conjetura básica de la Teoría del Estado Estacionario, según la cual todo es constante en el tiempo. Por esto y otras razones, la Teoría del Estado Estacionario fue desechada.

Otro intento para evitar que el Universo tuviera un comienzo fue la sugerencia de que hubo una fase previa de contracción, pero debido a la rotación y las irregularidades locales, la materia no caería en el mismo punto. En cambio, diferentes partes de la materia se perderían y el Universo se expandiría de nuevo con la densidad permaneciendo finita. Dos rusos, Lifshitz y Khalatnikov, declararon haber probado que una contracción general sin una simetría exacta llevaría siempre a un rebote con la densidad permaneciendo finita. Este resultado fue muy conveniente para el materialismo dialéctico marxista leninista, porque evitó los cuestionamientos complejos sobre la creación del Universo. Por lo tanto, esta teoría se volvió un artículo de fe para los científicos soviéticos.

Cuando Lifshitz y Khalatnikov publicaron estos argumentos, yo era un estudiante de investigación de veintiún años, buscando algo para completar mi tesis de doctorado. No creía en lo que ellos llamaban su prueba, y entonces junto a Roger Penrose empecé a desarrollar nuevas técnicas matemáticas para estudiar esa cuestión. Nosotros demostramos que el Universo no podía tener saltos. Si la teoría de la relatividad de Einstein es correcta, habrá una singularidad, un punto de densidad infinita en la curva tiempo-espacio, donde el tiempo tiene un comienzo.

La evidencia derivada de la observación para confirmar la idea de que el Universo tuvo un denso comienzo llegó en octubre de 1965, unos pocos meses después de mi primer resultado sobre esta singularidad, junto con el descubrimiento de microondas en el espacio. Estas microondas son las mismas que están en su horno de microondas, pero mucho menos poderosas. Calentarían su pizza a un mínimo de 271,3 grados centígrados, que no servirían mucho para descongelar la pizza salvo para dejarla cocinándola sola. Usted puede observar estas microondas por sí mismo. Sintonice su televisor donde no vea ningún canal. Un pequeño porcentaje de la nieve que usted ve en la pantalla causará este fondo de microondas. La única interpretación razonable sobre este fondo es que la radiación que sobra está en estado denso y muy caliente. Mientras el Universo se expandía, la radiación se habría enfriado hasta el remanente débil que observamos hoy.

A pesar de que los teoremas de singularidad de Penrose y míos predijeron que el Universo había tenido un comienzo, no nos dijeron cómo comenzó. Las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad dejarían de funcionar sobre esta singularidad. La teoría de Einstein no puede predecir cómo comienza el Universo, pero sí nos puede decir cómo evolucionó una vez que comenzó. Hay dos actitudes que uno puede elegir respecto a los resultados de Penrose y míos. Una es que Dios decidió cómo comenzó el Universo por razones que no entendemos. Este era el punto de vista del Papa Juan Pablo II. En una conferencia sobre cosmología en el Vaticano, el Papa dijo a los delegados que estaba bien estudiar el Universo después de su comienzo. Pero no deberían indagar sobre sus comienzos, porque era el momento de la creación y la obra de Dios. Estaba tan contento que no se dio cuenta que yo había presentado una ponencia en la conferencia, sugiriendo cómo había comenzado el Universo. No fantaseé sobre ser entregado a la Inquisición, como pasó con Galileo.

La otra interpretación de nuestros resultados, que es la que eligen los científicos, indica que la Teoría General de la Relatividad deja de funcionar en los campos gravitacionales en los comienzos del Universo. Esta teoría tiene que ser reemplazada por una más completa. Uno esperaría esto de todas maneras, porque la teoría de la Relatividad no toma en cuenta la estructura más pequeña de la materia, que está regida por la teoría del quantum. Esto generalmente no importa, porque la escala del Universo es enorme, comparada con las escalas microscópicas de la teoría del quantum. Pero cuando el Universo es del tamaño de un Planck, un millardo de un trillón de un trillón de un centímetro, las dos escalas son lo mismo y hay que tener en cuenta la teoría del quantum.

A fin de entender el origen del Universo, necesitamos combinar la Teoría General de la Relatividad con la teoría del quantum. La mejor manera de hacer esto parece ser usar la idea de Feinman, de sumar diferentes historias. Richard Feinman era un personaje simpático que tocaba el bongo en una banda en Pasadena, y también era un físico brillante en el Instituto de Tecnología de California. Él propuso que un sistema va del estado A al estado B, por cualquier camino posible de la historia.

Cada camino o historia tiene un cierta amplitud o intensidad, y la probabilidad de un sistema de ir de A a B está dada por sumar las amplitudes de cada camino. Habrá una historia en el cual la luna esté hecha de queso azul, pero la dimensión es pequeña, lo cual son malas noticias para los ratones.

La probabilidad para el estado del Universo en el tiempo presente está dada por la suma de las dimensiones de todas las historias que terminan en ese estado. ¿Pero como comenzaron tales historias? Esta es la pregunta sobre el origen pero planteada de otra manera. ¿Se necesita de un creador para decretar como comenzó el Universo? ¿O el estado inicial del Universo está determinado por una ley científica? De hecho, esta pregunta surgiría incluso si las historias del Universo regresaran al pasado infinito. Pero sería más inmediato si el Universo comenzó sólo quince millardos de años atrás. El problema sobre qué pasó en los comienzos de los tiempos se parece un poco a la pregunta sobre el límite del mundo, cuando la gente pensaba que la tierra era plana. ¿Es el mundo plano? ¿El mar chorrea agua por sus orillas? He probado esto experimentalmente; he estado alrededor del mundo y no me he caído del él.

Como sabemos todos, el problema sobre qué pasa en la orilla del mundo fue resuelto cuando la gente se dio cuenta de que el mundo no era plano, sino una superficie curva. El tiempo, no obstante, parece ser diferente. Parece estar separado del espacio y ser como un vía modelo de tren. Si tuvo un comienzo, tuvo que haber alguien que pusiera en marcha los trenes.

La Teoría de la Relatividad de Einstein unificó tiempo y espacio como espacio-tiempo, pero el tiempo todavía era diferente al espacio, era como un pasillo que si bien tenía un principio y un fin, o era un pasillo que continuaba para siempre. Sin embargo, cuando uno la combina la Teoría de la Relatividad con la del Quantum, Jim Hartle y yo nos dimos cuenta que el tiempo se puede comportar en otra dirección en el espacio bajo condiciones extremas. Esto significa que uno puede deshacerse del problema del tiempo teniendo un comienzo, de una manera similar en la que nos deshicimos del fin del mundo. Supongamos que los comienzos del Universo fueran como el polo sur de la tierra, con grados de latitud, imitando al tiempo. El Universo comenzaría como un punto en el Polo Sur. Mientras nos movemos hacia el Norte, los círculos de latitud constante, que representan el tamaño del Universo, se expandirían. Preguntarse que pasó antes de los comienzos del Universo sería una pregunta sin sentido, porque no existe el Sur del Polo Sur.

El tiempo. medido en grados de latitud. tendría un comienzo en el Polo Sur, pero el Polo Sur es como cualquier otro punto, al menos eso me han dicho. He ido a la Antártida, pero no al Polo Sur.

Las mismas leyes naturales que se aplican al Polo Sur, se aplicarían en otros lugares. Esto acabaría con la antigua objeción de que el Universo tuviera un comienzo, que sería un lugar donde las leyes naturales no funcionan. El comienzo del Universo entonces estaría gobernado por las leyes científicas.

La situación que Jim Hartle y yo describimos, de la creación espontánea cuántica del Universo, sería un poco como la formación de burbujas de vapor en agua hirviendo. La idea es que las historias más probables del Universo serían como la superficie de las burbujas. Muchas pequeñas burbujas aparecerían y desaparecerían de nuevo. Eso correspondería a mini Universos que se expandirían pero colapsarían de nuevo en una escala microscópica. Hay universos alternativos posibles, pero no son de demasiado interés ya que no duran mucho como para desarrollar galaxias y estrellas o vida inteligente. Unas pocas de las burbujas, sin embargo, crecerán hasta alcanzar cierto tamaño, en el cual estarán seguras de no colapsar. Continuarán expandiéndose en un porcentaje elevado y formarán las burbujas que vemos. Corresponderán a universos que comenzarán a expandirse continuamente. A esto se le llama inflación, como los precios que suben cada año.

La inflación récord mundial fue la de Alemania luego de la Primera Guerra Mundial. Los precios subieron por un factor de diez millones en un período de dieciocho meses. Pero eso no fue nada comparado a la inflación en los comienzos del Universo. El Universo se expandió por un factor de millones de trillones de trillones de una pequeña fracción de segundo. Diferente a la inflación aplicada a los precios, la inflación en los comienzos del Universo fue un cosa positiva. Produjo un Universo uniforme y vasto, tal como lo observamos. Sin embargo, no sería completamente uniforme. En la suma de las historias, las historias que son un poco irregulares tendrán casi la misma posibilidad que las historias uniformes y regulares. La teoría, por tanto, predice que el Universo en los comienzos era propenso a ser no uniforme. Estas irregularidades producirían pequeñas variaciones en la intensidad del entorno de las microondas desde diferentes direcciones. El entorno de microondas fue observado por el Satélite Map y se descubrió que tiene la misma cantidad de variaciones que se predijo. Así que sabemos que estamos en el camino correcto.

Las irregularidades en el comienzo del Universo significarán que algunas regiones tendrán una densidad mayor que otras. La atracción gravitatoria de una densidad extra bajará la expansión de la región y puede eventualmente provocar que la región colapse para formar galaxias y estrellas. Así que miren bien el mapa de microondas en el cielo. Es la impresión azul para toda la estructura en el Universo. Somos el producto de fluctuaciones cuánticas de los comienzos del Universo. Dios realmente juega a los dados.

Hicimos progresos inmensos en el campo de la cosmología en los últimos cien años. La Teoría General de la Relatividad y el descubrimiento de la expansión del Universo despedazan el viejo cuadro de un Universo que existió por siempre. En cambio, la Teoría de la Relatividad predijo que el Universo y el tiempo mismo comenzaron con el Big Bang. También predijo que el tiempo termina en los agujeros negros. El descubrimiento de un entorno de microondas cósmicas y las observaciones de agujeros negro sustentan estas conclusiones. Esto ocasiona un cambio profundo sobre la imagen que tenemos del Universo y de la misma realidad.

Aunque la Teoría de la Relatividad predijo que el Universo debe haber venido de un período de una curvatura alta en el pasado, no pudo predecir cómo el Universo emergería del Big Bang. La Teoría de la Relatividad no puede responder por sí misma esta pregunta central para la cosmología. ¿Por qué el Universo es del modo qué es? No obstante si la teoría de la Relatividad es combinada con la Teoría del Quantum, quizás sea posible predecir cómo comenzó el Universo. En un principio se expandió rápidamente. Durante este período inflacionario, el matrimonio de estas dos teorías predijo que las pequeñas fluctuaciones desarrollaron y llevaron a la formación de galaxias, estrellas y las demás estructuras en el Universo. Esto es confirmado por las observaciones de pequeñas variaciones no uniformes en el entorno de las microondas cósmicas. Parece ser que estamos en el camino correcto para entender el origen del Universo, aunque todavía falta mucho trabajo por hacer. Una nueva ventana sobre cómo se formó el Universo será abierta cuando podamos detectar las ondas gravitatorias al medir con precisión las distancias entre las naves espaciales. Las ondas gravitacionales se propagan libremente hacia nosotros desde el comienzo de los tiempos sin impedimentos de ningún material interviniente. Por el contrario, la luz es esparcida muchas veces por los electrones libres. La diseminación continúa hasta que se congelan después de trescientos mil años.

Pese a haber tenido algo de éxito, no todo está resuelto. Todavía no tenemos un entendimiento teórico correcto de las observaciones de la expansión del Universo, sobre su aceleramiento luego de un período de regresión. Sin este entendimiento, no podemos estar seguros del futuro del Universo. ¿Se expandirá por siempre? ¿La inflación es una ley de la naturaleza? ¿O el Universo colapsará de nuevo? Las nuevas observaciones y avances teóricos están llegando rápidamente. La cosmología es una materia activa y muy apasionante. Estamos cerca de contestar viejas preguntas:

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