Es
una pregunta habitual cuando se habla del origen del universo. Y,
aunque parezca mentira, no es nueva. Hace 1.600 años, la cuestión fue
suscitada en el ámbito teológico: "¿Qué hacía Dios antes de crear los
Cielos y la Tierra?". Sin duda una buena pregunta, a la que San Agustín
respondió con humor que Dios “preparaba el infierno para los que hacen
este tipo de preguntas”. Aparte de esta broma, San Agustín fue más lejos
y afirmó, con sagacidad, que no tiene sentido preguntar en qué empleaba
Dios su tiempo antes de crear el tiempo. De forma semejante, la
pregunta "¿qué pasó antes del instante inicial?" no tiene mucho sentido.
Pero, naturalmente, esto puede parecer un mero juego de palabras.
Nuestra intuición nos dice que cada instante está precedido por otro,
por lo que la idea de un "instante inicial", parece absurda. El problema
es que nuestra intuición se basa en nuestra experiencia directa, y esa
experiencia es muy limitada. En cuanto nos salimos de las escalas
físicas
humanas", nuestra intuición suele fallar clamorosamente.
Por
ejemplo, a los pensadores de todas las civilizaciones antiguas (con la
maravillosa excepción de la griega) les pareció evidente que la Tierra
debía ser plana. Estaban extrapolando, erróneamente, la percepción que
tenemos cuando nos desplazamos en distancias no mucho mayores que unas
decenas de kilómetros. Por supuesto, ahora sabemos que, vista
globalmente, la Tierra es redonda. Del mismo modo, el espacio y el
tiempo, cuando se consideran globalmente, son muy diferentes de como los
percibimos en nuestra experiencia ordinaria.
La teoría
La teoría del Big Bang se basa, a su vez, en la
teoría general de la relatividad, formulada por Albert Einstein en 1915,
y que representa una de las cumbres del pensamiento humano. Según la
teoría de la relatividad, el espacio y el tiempo no son, como podría
parecer, magnitudes inertes e inmutables. Por el contrario, el
espacio-tiempo, como un todo, se puede estirar y encoger, curvar y
retorcer. Su textura se parece más a la de la goma que a la del cristal.
Y su geometría está determinada por la materia y energía que contiene.
Todo esto son conceptos revolucionarios y fascinantes. El espacio y el
tiempo no son el escenario impasible de un gran teatro, dentro del cual
tiene lugar una representación. La teoría nos dice que la forma de ese
teatro y su evolución temporal están determinados por los actores que
pululan dentro de él, es decir, la materia y energía que pueblan el
universo.
Es importante subrayar que la teoría de la relatividad
no es una mera especulación. Sus predicciones se han comprobado en una
enorme variedad de situaciones físicas, hasta el momento sin un solo
fallo. Pensemos, por ejemplo, que, desde el punto de vista relativista,
algo tan familiar como la fuerza de la gravedad es simplemente la
consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo, producida a su vez por
la presencia de grandes masas, como planetas y estrellas. De hecho, la
teoría de Einstein predice que las fuerzas gravitatorias han de ser tal
como prescribe la venerable ley de la gravitación de Newton... con
pequeñas correcciones (a veces no tan pequeñas). Y hasta ahora la
naturaleza, "cuando ha tenido que elegir", siempre ha dado la razón a
Einstein frente a Newton.
Pues bien, cuando se aplica la teoría de
la relatividad al universo como un todo, se encuentra que,
necesariamente, este ha de pasar por una fase de expansión; es decir, el
espacio mismo (con todo su contenido) ha de expandirse, igual que se
hincha un pastel en el horno. Vista con los ojos de la teoría de
Einstein, la expansión del universo se produce porque el espacio entre
las galaxias está dilatándose; o, en otras palabras, se está creando
espacio entre ellas. No solo eso, sino que el universo entero que
observamos hubo de surgir de un solo punto, en un instante inicial
denominado Big Bang.
Por supuesto, los conceptos anteriores no son
fáciles de visualizar. Podemos intentarlo utilizando un modelo de
universo simplificado, de una sola dimensión espacial (en vez de las
tres ordinarias) y una temporal (el tiempo ordinario). En esta imagen,
el espacio-tiempo del universo tendría una forma parecida a un
gigantesco dedal, como el de la figura. En ese dibujo el tiempo avanza
hacia arriba. Cada sección circular del dedal (es decir cada anillo)
representa el universo en un instante dado. A medida que avanza el
tiempo (y por tanto subimos por la superficie del dedal), los anillos
son cada vez más grandes, como consecuencia de la expansión del
universo.
El vértice inferior del dedal corresponde al Big Bang:
el instante cero, en el que todo el universo estaba comprimido en un
punto. En esta imagen, viajar imaginariamente hacia atrás en el tiempo
significa deslizarnos hacia abajo por la superficie del dedal. Pero, si
una vez alcanzado el instante inicial (Big Bang) intentáramos proseguir
en la misma dirección, encontraríamos que regresamos hacia adelante en
el tiempo. Es como si paseando por la superficie terrestre nos dirigimos
hacia el Sur. En nuestras pequeñas escalas podemos seguir caminando en
esa dirección de forma indefinida, pero si llegáramos a alcanzar el polo
Sur terrestre, comprobaríamos que no es posible ir más allá. Si
insistimos en continuar nuestro viaje, nos encontraremos caminando en
dirección Norte.
Notemos que en el dibujo, la superficie de dos
dimensiones, que representa el espacio-tiempo, está inmersa en un
espacio de tres dimensiones. Esto es consecuencia de una limitación de
nuestro cerebro para imaginar superficies curvadas: tenemos que
representarlas sumergidas en un espacio tridimensional. Pero
matemáticamente no hay ninguna dificultad para formular una superficie o
un espacio curvos, sin tener que recurrir a un mundo de dimensionalidad
mayor. En nuestro ejemplo, la superficie en forma de dedal que
representa el espacio-tiempo no tiene por qué estar sumergida en otro
espacio de más dimensiones. Es un universo consistente en sí mismo.
Por tanto, la respuesta a la pregunta "¿qué había antes del Big Bang?" es que nunca hubo un "
antes del Big Bang”. ¿Fin de la historia? Podría ser, pero no es seguro.
Incógnitas
Hagamos
una pregunta alternativa a la que da título a este artículo: ¿Es fiable
la descripción que la teoría del Big Bang hace del origen del universo
hasta el preciso instante inicial?
Podemos decir que desde un segundo después del Big Bang en adelante, la
descripción de la teoría es muy fiable, ya que en ese momento comenzó
el proceso de nucleosíntesis primitiva, del que tenemos pruebas
experimentales, concretamente la producción de elementos ligeros (como
helio o litio) que pueblan el universo en las cantidades predichas por
la teoría. Para instantes anteriores, hay que pensar que cuanto más
reciente era el universo, a mayor temperatura estaba. Por tanto, una
descripción fiable de lo que sucedió exige conocer cómo se comporta la
materia a altísimas temperaturas. La física de partículas proporciona
una teoría, el llamado Modelo Estándar, que describe con extraordinario
éxito el comportamiento de las partículas hasta energías equivalentes a
una temperatura de mil billones de grados.
Nuestra
intuición nos dice que cada instante está precedido por otro, por lo
que la idea de un "instante inicial", parece absurda
Esto
corresponde aproximadamente a una cienmilmillonésima de segundo después
del Big Bang. En consecuencia, aunque no disponemos de pruebas
experimentales, podemos remontarnos hasta ese instante con bastantes
garantías. Pero si seguimos acercándonos al instante inicial, ni
siquiera disponemos de una teoría fiable. Es más, la propia teoría
general de la relatividad, en su versión tradicional, muestra
inconsistencias matemáticas en esas condiciones extremas. Por esta y
otras razones, es una creencia extendida entre los físicos teóricos que
la teoría necesita modificaciones. Y cuando se disponga de una teoría
aún mejor, podría ser que encontremos sorpresas en torno al instante
inicial. Pero, incluso sin salirnos del marco teórico actual, existen
modelos interesantes que hacen pensar en una historia anterior al Big
Bang. Quede claro sin embargo que aquí entramos ya en el terreno de la
especulación.
Modelos
El llamado modelo de
universo inflacionario
se basa en una hipótesis sobre lo que pudo haber ocurrido en la época
más remota del universo. La idea es que algún tipo de campo se hallaba
fuera de su mínimo de potencial. En otras palabras, el valor del campo
no
era el que hacía que su energía fuera mínima. Esta situación también se
denomina como "falso vacío". Las ecuaciones de la relatividad predicen
que, en una circunstancia así, el universo se expandiría de forma
vertiginosa, multiplicando su volumen muchos billones de billones de
veces en una pequeñísima fracción de segundo. Cuando finalmente el valor
del campo cayó a su mínimo, es decir al
vacío verdadero, toda la energía acumulada en él se transformó en la materia y energía que hoy llena el universo.
San Agustín afirmó, con sagacidad, que no tiene sentido preguntar en qué empleaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo
Hay
que decir que el universo inflacionario es algo más que una pura
especulación, puesto que ha cosechado grandes éxitos, por ejemplo la
predicción correcta de la densidad de materia y energía que realmente
presenta nuestro universo. Si el modelo es correcto, en su época más
primitiva el universo se expandía de forma desbocada y solo contenía ese
campo primigenio. Entonces, en ciertos puntos, al azar, el campo cayó a
su valor de mínimo, es decir al vacío verdadero. En estos puntos se
formaron “burbujas” de vacío verdadero que empezaron a crecer. Cada
burbuja corresponde a un Big Bang “ordinario”, que da lugar a un
universo independiente. En este escenario, nuestro universo no es más
que una pequeña burbuja que se enciende y se apaga, inmersa en un
universo global que se expande salvajemente. No queda claro en el modelo
cuándo y cómo fue el inicio de ese universo global del que surgió
nuestra burbuja, es decir cómo fue el verdadero instante inicial (en
contraposición a nuestro "Big Bang doméstico").
Hay
modelos altamente especulativos (y controvertidos) basados en la teoría
de cuerdas, que recuperan la antigua idea de un universo cíclico
Mencionemos
también que hay modelos, altamente especulativos (y controvertidos)
basados en la teoría de cuerdas, que recuperan la antigua idea de un
universo cíclico, denominado en esta versión
universo ecpirótico,
en una forma sofisticada e invocando la existencia de dimensiones
extras. En estos modelos, la fase de expansión del universo está
precedida por una fase de contracción, que da lugar a una especie de
rebote cósmico. Este esquema podría continuar de forma indefinida, es
decir, el universo actual podría terminar en una contracción global,
que, tras un nuevo rebote, diera lugar a un nuevo Big Bang, y así
sucesivamente, tanto hacia adelante en el tiempo como hacia atrás.
En
conclusión, posiblemente no hubo nunca un "antes del Big Bang", lo que
en sí mismo no supondría una contradicción lógica. Sin embargo, el
preciso instante inicial está bajo sospecha teórica, y hay modelos
interesantes que proponen una historia anterior a ese instante cero de
nuestro universo.
Alberto Casas es profesor de Investigación del CSIC en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC
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