12/Dic/08

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¿Existía nuestro cosmos antes del Big Bang?

Abhay Ashtekar recuerda su reacción la primera vez que vio al universo rebotar. "Quedé asombrado", dice. Estaba observando una simulación del universo que se revertía hacia el Big Bang. En general, el universo actuaba como se esperaba, se volvía más pequeño y más denso a medida que las galaxias convergían. Pero entonces, en lugar de llegar a la "singularidad" del Big Bang, el universo rebotó y empezó a expandirse otra vez. ¿Qué demonios estaba ocurriendo?

Ashtekar quería estar seguro de lo que estaba viendo, de modo que les pidió a sus colegas que se sentaran sobre el resultado durante seis meses antes de publicarlo en 2006. Y nada extraño. La teoría sobre la que se basaba el universo reciclado, llamada cosmología cuántica de bucle (LQC), había logrado esclarecer el mismo nacimiento del universo, algo que ni siquiera la teoría general de la relatividad de Einstein puede hacer.

Ilustración conceptual de computadora
que representa el origen del universo.

La LQC ha estado atormentando a los físicos desde 2003 con la idea de que posiblemente nuestro universo podría haber emergido del colapso de un universo previo. Ahora la teoría está preparada a hacer predicciones que en realidad podemos evaluar. Si son verificadas, el Big Bang cederá el paso a un Big Bounce [gran rebote] y finalmente conoceremos la estructura cuántica del espacio-tiempo. En lugar de un universo que emergió de un punto de infinita densidad, tendremos uno que recicla, posiblemente a través de una eterna serie de expansiones y contracciones, sin origen ni final.

La LQC es de hecho la primera aplicación tangible de otra teoría llamada gravedad cuántica de bucle, que astutamente combina la teoría de la gravedad de Einstein con la mecánica cuántica. Necesitamos teorías como éstas para averiguar qué ocurre cuando los volúmenes microscópicos experimentan una fuerza gravitatoria extrema, como ocurre cerca del Big Bang, por ejemplo. A mediados de los '80, Ashtekar rescribió las ecuaciones de la relatividad general en un marco de mecánica cuántica. Con los físicos teóricos Lee Smolin y Carlo Rovelli, Ashtekar usó más tarde este marco para mostrar que la trama del espacio-tiempo está tejida con bucles de líneas de campo gravitatorio. Si aleja la imagen lo suficiente, el espacio aparece suave y continuo, pero una mirada desde más cerca revela que el espacio viene en partes indivisibles, o cuantos, de 10 a 35 metros cuadrados de tamaño.

En 2000, Martin Bojowald, entonces estudiante de postdoctorado con Ashtekar en la Pennsylvania State University en University Park, usó un bucle cuántico de gravedad para crear un modelo simple del universo. La LQC había nacido.

La comprensión más importante de Bojowald fue que a diferencia de la relatividad general, la física de la LQC no fracasaba en el Big Bang. Los cosmólogos temen a la singularidad porque en ese momento la gravedad se vuelve infinita, con la temperatura y la densidad del universo. Como sus ecuaciones no pueden con tales infinitos, la relatividad general no puede describir lo que ocurre en el Big Bang. El trabajo de Bojowald mostró cómo evitar la odiada singularidad, aunque matemáticamente. "Quedé muy impresionado", dice Ashtekar, "y todavía lo estoy".

Jerzy Lewandowski de la Universidad de Varsovia en Polonia, con Bojowald, Ashtekar y dos más de sus estudiantes de postdoctorado, Parampreet Singh y Tomasz Pawlowski, continuaron para mejorar la idea. Singh y Pawlowski desarrollaron simulaciones de computadora del universo de acuerdo con la LQC, y entonces vieron que el universo rebotaba. Cuando corrieron el tiempo hacia atrás, en lugar de ponerse infinitamente denso en el Big Bang, el universo dejó de colapsar e invirtió la dirección. La singularidad del Big Bang había desaparecido realmente (Physical Review Letters, vol 96, p 141301).

Pero la fiesta fue efímera. Cuando el equipo usó la LQC para mirar el comportamiento de nuestro universo mucho después de que comenzara la expansión, estuvieron a punto de desmayarse... empezó a colapsar, desafiando a todo lo que conocemos sobre el cosmos. "Era una largada completa desde la relatividad general", dice Singh, que ahora está ahora en el Instituto Perimeter para la Física Teórica en Waterloo, Canadá. "Estaba descaradamente equivocado".

Ashtekar lo tomó mal. "Estaba muy deprimido", dice. "No era de buen agüero para la LQC". Sin embargo, después de más matemática febril, Ashtekar, Singh y Pawlowski solucionaron el problema. Las primeras versiones de la teoría describían la evolución del universo en términos de cuantos de área, pero una mirada más atenta reveló un error sutil. Ashtekar, Singh y Pawlowski lo corrigieron y descubrieron que ahora los cálculos involucraban volúmenes diminutos de espacio.

Fue una diferencia crucial. Ahora el universo de acuerdo con la LQC coincidía brillantemente con la relatividad general cuando la expansión estaba bien avanzada, mientras que todavía eliminaba la singularidad en el Big Bang. Rovelli, con base en la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia, estaba impresionado. "Fue algo extraordinario", dice. "Todos esperábamos que en cuanto aprendiéramos a tratar correctamente el universo cuántico, la singularidad del Big Bang desaparecería. Pero nunca había ocurrido antes".

El físico Claus Kiefer de la Universidad de Colonia en Alemania, que ha escrito exhaustivamente sobre el tema, está de acuerdo. "Es realmente una nueva perspectiva sobre cómo podemos ver el universo temprano", dice. "Ahora, tenemos una teoría que puede darnos una explicación natural para un universo libre de singularidad". Añade que mientras las teorías rivales de la gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas, tienen su propia visión para ofrecer cosmología, ninguna de ellas ha aceptado la mecánica cuántica completamente.

Si la LQC resulta ser correcta, nuestro universo emergió de un universo pre-existente que se había estado expandiendo antes de contraerse debido a la gravedad. Mientras toda la materia se comprimía en un volumen microscópico, este universo se acercó a la llamada densidad de Planck, los 5,1 x 10^96 kilogramos por metro cúbico. En esta etapa, dejó de contraerse y rebotó, dándonos nuestro universo.

"No se puede llegar a la densidad de Planck. Está prohibido por teoría", dice Singh. De acuerdo con Bojowald, eso es así porque una extraordinaria fuerza repulsiva se desarrolla en la trama del espacio-tiempo a densidades equivalentes a comprimir un billón de masas solares al tamaño de un protón. Los cuantos del espacio-tiempo no pueden ser comprimidos más allá de este punto. El espacio-tiempo comprimido reacciona, ejerciendo una fuerza hacia afuera con la suficiente potencia para repulsar la gravedad. Este acto momentáneo de repulsión provoca el rebote del universo. Desde allí en adelante, el universo continúa expandiéndose por la inercia del Big Bounce. Nada puede disminuir su velocidad, excepto la gravedad.

La LQC también ilumina otra misteriosa fase de nuestro universo. En la cosmología clásica, un fenómeno llamado inflación hace que el universo se expanda a una increíble velocidad en las primeras fracciones de un segundo después del Big Bang. Esta fase inflacionaria es necesaria para explicar por qué la temperatura de regiones distantes del universo es casi idéntica, aunque el calor no debería haber tenido tiempo de extenderse hasta allí, el denominado problema de horizonte. También explica por qué el universo está tan finamente equilibrado entre dilatarse para siempre y contraerse al final bajo la gravedad, el problema del universo plano. Los cosmólogos invocan a una partícula llamada inflatón para hacer que ocurra la inflación, pero se sabe muy poco sobre ella.

Memoria cósmica

Y lo que es más importante, se sabe aun menos sobre el universo pre-inflacionario. Los cosmólogos siempre han supuesto que podían ignorar los efectos cuánticos y considerar al espacio-tiempo tan suave al inicio de la inflación, como la relatividad general requiere. Siempre había sido una conjetura fundamentada... hasta ahora. La LQC muestra que en el momento en que comienza la inflación, el espacio-tiempo puede ser tratado como suave. "Ya no es una suposición", dice Singh. "Es en realidad una predicción de la cosmología cuántica de bucle".

Los modelos desarrollados por Ashtekar, Singh, Bojowald y Pawlowski representan un enorme paso adelante. Es la primera vez que una teoría puede hacer predicciones sobre lo que estaba ocurriendo antes de la inflación, mientras que predice correctamente lo que ocurre post-inflación. "Hacer ambas cosas al mismo tiempo ha sido difícil", dice Ashtekar.

Si el universo que habitamos emergió de un cosmos previo, ¿podemos saber algo sobre el universo que precedió al nuestro? Las simulaciones de LQC muestran que también habría tenido estrellas y galaxias. Pero las opiniones difieren cuando se trata de la fase cuántica justo antes y después del Big Bounce, cuando es imposible conocer el volumen del universo debido a las fluctuaciones cuánticas. Los cálculos de Bojowald muestran que algo de la información sobre el universo anterior se borra cuando pasa por el Big Bounce. En otras palabras, no hay "memoria cósmica" (Nature Physics, vol 3, p 523). Por contraste, otro detallado análisis realizado por Singh y Alejandro Corichi, de la Universidad Nacional Autónoma de México en Michoacán, sugiere lo contrario (Physical Review Letters, vol 100, p 161302).

Ashtekar compara la furiosa rencilla entre sus ex-estudiantes de postdoctorado y los estudiantes con una pelea de sus hijos. "Es mucha alharaca por nada", dice. Aunque las discusiones sobre la posibilidad de que el universo tenga memoria cósmica pueden ser de interés filosófico, son prematuras. "Deberíamos estar preocupándonos por hacer contacto con experimentos hoy".

Ese día puede estar cerca. La primera meta de los investigadores es el fondo cósmico de microondas (CMB), una radiación liberada mucho tiempo después de la fase cuántica del universo. Aunque el CMB se originó 370.000 años después del Big Bang, su semilla fue colocada mucho antes, dice Bojowald. "Ése podría ser un período cuando los efectos de la gravedad cuántica jugaron su rol".

Bojowald ha descubierto que esos efectos habrían dominado cuando, de acuerdo con la LQC, el universo atravesaba una corta fase de expansión acelerada antes del inicio de la inflación. Apodada súper-inflación, ocurrió debido a la inmensa fuerza repulsiva del universo cuántico de alta densidad, y no por la presencia de inflatones. No está claro cómo esta fase podría afectar exactamente al CMB, pero ya hay pistas de que la LQC podría predecir algo diferente de la cosmología clásica. "Vamos a trabajar en esto durante los próximos dos años. Vamos a buscar robustas predicciones", dice Singh.

Mientras tanto, Ed Copeland de la Universidad de Nottingham, Reino Unido, y sus colegas han mostrado que la súper-inflación puede producir la clase de fluctuaciones cuánticas en la trama del espacio-tiempo que finalmente se convirtieron en semillas para la formación de galaxias y cúmulos galácticos. Esto sugiere que la súper-inflación podría hacer innecesaria a la inflación, por lo tanto quitaría lo que esencialmente siempre ha sido un accesorio a la teoría cosmológica estándar. La súper-inflación está en los primeros días, sin embargo, porque todavía no puede resolver los problemas de horizonte y de universo plano, que la inflación resuelve con tanta elegancia.

Copeland dice que los futuros experimentos podrían revelar si nuestro universo sufrió una inflación o súper-inflación buscando un patrón de ondas gravitatorias que sólo la inflación pudo haber creado. Estas ondas en la trama del espacio-tiempo habrían polarizado el CMB, aunque el efecto es demasiado débil para ser detectado por los instrumentos de hoy. Las cosas podrían cambiar el próximo año, sin embargo, cuando la Agencia Espacial Europea lance el satélite Planck, prometiendo la vista más detallada del fondo de microondas hasta la fecha. El trabajo de Copeland sugiere que la súper-inflación sofocaría la producción de ondas gravitatorias a escala cosmológica, y que no habrá semejante marca en el CMB. "Si algo las detecta, probablemente sería un tanto en contra de la LQC", dice.

Kiefer advierte que todas las predicciones de la LQC están sujetas a una gran advertencia. Las predicciones de la cosmología clásica vienen de resolver las ecuaciones de la relatividad general, aunque con ciertas suposiciones simplificadoras sobre el universo. Idealmente, la LQC debería ser puesta en la misma posición; todas sus ecuaciones deberían ser derivadas de la gravedad cuántica de bucle. En cambio, Bojowald y otros obtuvieron la LQC empezando con un universo idealizado obtenido de la relatividad general y luego usaron técnicas de la gravedad cuántica de bucle para cuantificar la gravedad en el modelo. "Desde el punto de vista de un físico, está completamente justificado", dice Kiefer. "Los matemáticos quizás no estarían contentos".

Rovelli está de acuerdo. Para poner a la LQC sobre una base más firme, él y su colega Francesca Vidotto han estado trabajando para reconciliarla con gravedad cuántica de bucle. "La conclusión es muy positiva", dice Rovelli. "Podemos recuperar las ecuaciones de la LQC, empezando con algo mucho más cercano a la gravedad cuántica de bucle".

No extraña que Rovelli esté esperando que los siguientes experimentos puedan justificar la teoría. "Espero saber antes de morirme si la gravedad cuántica de bucle es correcta o no", dice. Para un hombre que acaba de cumplir 50, es excesivamente pesimista. Un montón de experimentos, de los que Planck es sólo el primero, pronto estará midiendo el CMB y buscando ondas gravitatorias. Una revolución en nuestra idea de cómo comenzó nuestro universo puede estar más cerca que lo que se piensa.

¿Rebotará nuestro universo?

De acuerdo con la imagen del Big Bounce formulada por el físico teórico Abhay Ashtekar y otros, el cosmos creció del colapso de un universo pre-existente. ¿Nos aguarda el mismo destino? Depende. Solíamos pensar que el universo estaba dominado por la gravedad de sus estrellas y otras materias: el universo es bastante denso para que la gravedad interrumpir la expansión desde el Big Bang y vuelva todo atrás, o no lo es, y en tal caso la expansión continuaría para siempre. Sin embargo, las observaciones de las supernovas distantes en los pasados 10 años han recusado esa opinión. No sólo muestran que el universo está expandiéndose, sino también que la expansión está acelerando debido a una misteriosa fuerza repulsiva que los cosmólogos llaman "energía oscura". De modo que si el universo no se contrae, ¿ya ha rebotado su último rebote? Quizás no. Los cosmólogos están todavía muy en la oscuridad sobre la energía oscura. Algunos modelos teóricos especulan que la naturaleza de la energía oscura podría cambiar a lo largo del tiempo, cambiar de una repulsiva a una atractiva que actúa muy parecido a la gravedad. Si eso ocurre, el universo dejará de dilatarse y las galaxias empezarán a acercarse. Un signo de interrogación también cuelga sobre la materia y la densidad de energía del universo, que no hemos medido con exactitud suficiente para estar seguros de que el universo, al final, no dejará de expandirse. Si resulta ser una pizca más grande que las actuales observaciones, entonces es una receta del colapso cósmico. De acuerdo con el Big Bounce, en ambos escenarios el universo al final colapsará hasta que llegue a la densidad más alta permitida por la teoría. En ese momento, el universo rebotará y empezará a crecer otra vez, lo último en reciclaje cósmico.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard