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ORIGEN DEL UNIVERSO

En la cosmología moderna, el origen del universo es el instante en que apareció toda la materia y la energía que tenemos actualmente en el universo como consecuencia de una gran explosión. Esta postulación es abiertamente aceptada por la ciencia en nuestros días y conlleva que el universo podría haberse originado hace entre 13.500 y 15.000 millones de años, en un instante definido. En la década de 1960, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble confirmó que el universo se estaba expandiendo, fenómeno que Albert Einstein con la teoría de la relatividad general había predicho anteriormente.

Existen diversas teorías científicas acerca del origen del universo. Las más aceptadas son la del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se complementan.

MODELO DEL BIG BANG

TEORÍA DEL ESTADO ESTACIONARIO

TEORÍA DEL UNIVERSO PULSANTE

COSMOLOGÍA DE BRANAS

MODELO DE UNIVERSO EKPIRÓTICO

MODELO DE UNIVERSO CÍCLICO

MODELO DEL BIG BOUNCE

MULTIVERSOS

UNIVERSOS PARALELOS

MODELO DEL BIG BANG

Ver Sección “El Big Bang”

TEORÍA DEL ESTADO ESTACIONARIO

La Teoría del Estado Estacionario es un modelo cosmológico desarrollado en 1949 por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle como una alternativa a la Teoría del Big Bang. Aunque el modelo tuvo un gran número de seguidores en la década de los 50, y 60, su popularidad disminuyó notablemente a finales de los 60, con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas, y se considera desde entonces como cosmología alternativa.

De acuerdo con la teoría del estado estacionario, el aumento de la densidad que produce el Universo al expandirse se compensa con una creación continua de materia. Debido a que se necesita poca materia para igualar la densidad del Universo (2 átomos de hidrógeno por cada m³ por cada 1.000 millones de años), esta Teoría no se ha podido demostrar directamente. La teoría del estado estacionario surge de la aplicación del llamado principio cosmológico perfecto, el cual sostiene que para cualquier observador el universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio. La versión perfecta de este principio incluye el tiempo como variable por lo cual el universo no solamente presenta el mismo aspecto desde cualquier punto sino también en cualquier instante de tiempo siendo sus propiedades generales constantes tanto en el espacio como en el tiempo.

Los problemas con esta teoría comenzaron a surgir a finales de los años 60, cuando las evidencias observacionales empezaron a mostrar que, de hecho, el Universo estaba cambiando: se encontraron quásares sólo a grandes distancias, no en las galaxias más cercanas. La prueba definitiva vino con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, pues en un modelo estacionario, el universo ha sido siempre igual y no hay razón para que se produzca una radiación de fondo con características térmicas. Buscar una explicación requiere la existencia de partículas de longitud milímetrica en el medio intergaláctico que absorba la radiación producida por fuentes galácticas extremadamente luminosas, una hipótesis demasiado forzada.

Hoy en día, pocos astrónomos no creen en la Teoría del Big Bang. De ellos, probablemente el más importante sea el indio Jayant Narlikar. A pesar del fracaso de la teoría en explicar la estructura del universo sus proponentes utilizaron aspectos de ésta para profundizar en el origen de la materia y los elementos realizando importantes descubrimientos en el campo de la nucleosíntesis estelar de elementos pesados de una mayor valoración suprainterior del coeficiente invertido.

Otro científico que conserva algunas características del Estado Estacionario tradicional es Johan Masreliez con su Expansión cósmica en escala.

Aunque todavía no es posible aclarar con detalle la geometría a gran escala del universo, no obstante, se han hecho notables progresos investigando su evolución a lo largo del tiempo. Hoy casi todos los científicos sostienen que el universo surgió de un gas caliente y denso de partículas cuánticas que luego se expandió rápidamente debido a que esa masa energética explosionó: la explosión denominada Big Bang. Por consiguiente, todo lo que hay en el universo es residuo de aquella explosión. Pero no siempre hubo un acuerdo tan generalizado respecto a la evolución del universo.

Pero hasta avanzado el siglo XX, los científicos se dividían en los que, ateniéndose al espíritu de la cosmología general de Einstein–de Sitter creían que el universo se hallaban en un estado estacionario y existía desde el pasado infinito al futuro infinito y los que, ateniéndose al espíritu de la cosmología de Friedmann–Lemaître, creían que el universo fue muy distinto en el pasado y que tuvo un origen definido. Es difícil imaginar dos puntos de vista más opuestos. Esta oposición fue de suma importancia para el nacimiento de la cosmología como ciencia empírica. La necesidad de aclarar el problema no sólo fomentó la investigación de datos cosmológicamente significativos, sino que los partidarios de cada una de las dos hipótesis realizaron además complejos cálculos para defender su posición, cálculos que resultaron al final más valiosos que las ideas que se defendían. Examinemos la dialéctica no demasiado sutil de los partidarios de una y otra teoría.

Diagrama Espacio-Temporal en el Modelo estacionario Clásico

Georges Lemaître recibe merecidamente el nombre de «padre del Big Bang», porque ya en la década de 1930 señaló que las ecuaciones de Einstein indicaban que el universo debía haberse iniciado con un estado muy denso de materia, con un «átomo primigenio», según su expresión. Pero la versión moderna del Big Bang comenzó cuando el físico George Gamow, recogiendo el reto lanzado por Arthur Eddington, intentó hallar un lugar más caliente que el centro de una estrella e inició la investigación del universo primitivo. Comprendió, como Lemaître, que si se retrocedía en el tiempo, el universo se contraía, y la materia contenida en él se comprimía y aglutinaba, calendándose hasta temperaturas superiores a las existentes en el interior de las estrellas. Eso quería decir que en la gran explosión podían sintetizarse los núcleos atómicos, lo mismo que se sintetizan en las estrellas. Calculó luego, con Ralph Alpher y Robert Herman, cómo podían llegar a formarse esos núcleos atómicos en la gran explosión, a partir del hidrógeno, el núcleo más simple.

Su hipótesis de que la mayoría de los elementos más pesados se habían sintetizado en la gran explosión resultó errónea (en el interior de las estrellas o en un proceso de supernova se generan elementos pesados). Pero al abordar el problema del universo primitivo empezaron también a pensar en el calor residual de la gran explosión. Llegaron a la conclusión de que el calor del Big Bang tenía que existir aún, pues, a diferencia del calor de un fuego o de una estrella, no tiene lugar al que escapar, ya que no hay nada «exterior» al universo. Ese calor debía ser como un baño de radiación de baja temperatura que impregnaría todo el universo. Además, podía calcularse la temperatura. En 1948, Alpher y Herman formularon esta conclusión profética: «Se ha descubierto que la temperatura del universo en el momento actual es de unos 5° K». Esta predicción, basada en la teoría del Big Bang, hay que cotejarla con la declaración de A. A. Penzias y R. W. Wilson, resumiendo los resultados de las observaciones que realizaron diecisiete años más tarde: «Las mediciones de la temperatura de ruido de cénit efectiva... a 4000 MHz, han dado un valor de unos 3,5° K por encima de lo previsto. Dentro de los límites de error de nuestras observaciones, el exceso de temperatura es isotrópico.» Esta observación directa de la radiación de la gran explosión (ésa es, al menos, la interpretación más simple) fue la prueba definitiva en favor de la teoría del Big Bang.

Pero antes de que se conociese esta observación, muchos científicos consideraban muy atractiva la teoría del estado estacionario o steady state. La habían expuesto el matemático y astrofísico teórico británico Fred Hoyle, apoyado por dos de sus colegas de origen austriaco, Herman Bondi y Thomas Gold en 1948. . Su idea básica era que al expandirse el universo, se crea de modo continuo y espontáneo materia nueva en el espacio que se abre entre las galaxias. Esta nueva materia acaba formando nuevas estrellas y galaxias. Los creadores del modelo demostraban que la creación continua de la materia precisa en el vacío del espacio era tan pequeña que no planteaba ningún conflicto con las observaciones. En base a este razonamiento, llegaban a la conclusión de que, pese a la expansión observada del universo, éste podía seguir pareciendo más o menos el mismo a lo largo de dilatados períodos de tiempo. En el lejano pasado, o en el lejano futuro, la densidad medía de las galaxias se mantiene igual porque se están creando continuamente galaxias nuevas. Según este modelo, el universo no sólo es uniforme en el espacio, también en el tiempo; es siempre el mismo. Con una sola hipótesis general podía resolverse el problema del origen del universo: no lo tenía. Esta cosmología se caracteriza por la similitud eterna, una similitud que ya expresó el autor del Eclesiastés: «Lo que fue, eso será; y lo que ya se hizo, eso se hará; y no hay nada nuevo bajo el Sol.»

En síntesis, para Hoyle y sus colegas el universo es: « siempre ha sido y siempre será como hoy; permanece en estado estacionario. Nunca empezó y nunca tendrá fin..." » Propugnaron filosóficamente esta teoría sobre la base de lo que habían denominado el «principio cosmológico perfecto». La versión original del principio cosmológico, fundamental para la teoría del Big Bang, sostiene que para cualquier observador el universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio. La versión perfectibilizada expande los parámetros para incluir el tiempo, lo que implica que el universo debe presentar la misma cara en cualquier momento, pasado, presente o futuro. En el Big Bang, interpretativamente puede aparece como que este principio se contraviene y, por ello, en opinión de sus detractores debería ser desechado. Y, en consecuencia, el estado del universo debía, sin lugar, ser estacionario, alimentado por una producción constante de materia en forma de átomos de hidrógeno, aunque el tipo de materia no siempre es considerado en forma precisa por los tres refutantes.

Para sostener sus ideas, matemáticamente fundamentaron su propuesta derivándola de una modificación de la relatividad general. Sus ecuaciones producían un universo en expansión (pese a las dudas que había manifestado Hoyle con el corrimiento al rojo que se observaba en las galaxias) con una densidad constante, sin especificar el tipo de materia necesaria para mantener a ésta dentro de un volumen creciente; en esta versión, la materia–energía no diferenciada se crea a una velocidad relacionada en las ecuaciones con ritmo de expansión. Lo último, invitó a muchos a pensar por qué, si se crea materia, nadie lo ha podido distinguir en las observaciones, para lo cual la respuesta que esgrimían los defensores del estado estacionario era de que para llenar los espacios vacíos dejados por las galaxias en dispersión, nace permanentemente nueva materia, creada de la energía existente, a razón de 1 átomo por cada 500 decímetros cúbicos (½ m³) de espacio y por cada 1.000 millones de años.

Diagrama Espacio-Temporal en el Modelo Cuasi-Estacionario

En los años en que fue difundido el modelo del estado estacionario, en la física se arrastraba un problema que consistía en cómo explicar científicamente la producción de elementos pesados en el universo. Desde mediado de los años de 1940, Hoyle había estado contemplando la posibilidad de que los elementos se formaran por reacciones nucleares, o nucleosíntesis, dentro de las estrellas, y había publicado un ensayo desarrollando la hipótesis. Cuando empezó a trabajar en la teoría del estado estacionario, se fue convenciendo, cada vez más, de que la creación espontánea de la materia en alguna forma elemental, junto con la producción de otra materia en los crisoles estelares, explicaba la existencia de todos los elementos de la tabla periódica. En consecuencia, no existía ninguna razón como para pensar que el universo había tenido un comienzo y que podría tener un desenlace.

Fred Hoyle se unió a un grupo de investigadores que estaban trabajando sobre esta cuestión de la relativa abundancia de elementos en las superficies de las estrellas. En conjunto, estructuraron un exhaustivo estudio de los elementos que se acumulan en los núcleos estelares. En un denso trabajo que publicaron en octubre de 1957 en Review of Modern Physics, bajo el título de «Síntesis de los elementos de las estrellas», lograron explicar, de una forma general, la abundancia de prácticamente todos los isótopos de los elementos desde el hidrógeno hasta el uranio. Describieron que las estrellas, en la medida que van gastando su combustible nuclear, transmutan el hidrógeno en helio; el helio a carbono y oxígeno; y así sucesivamente, subiendo hasta llegar a los más pesados de la tabla periódica. En las explosiones de las supernovas se creaban muchos de los elementos más pesados, incluidos el platino, el oro y el uranio. Este trabajo que es un importante logro científico, no sólo explicaba la síntesis de todos los elementos más allá del hidrógeno, sino que predecía su formación exactamente en las mismas proporciones que ocurrían en el universo. Pero una cuestión quedaba en el aire ¿Cómo se generó el combustible inicial de las estrellas? La cuestión del hidrógeno quedaba abierta.

En términos generales, los primeros partidarios del Estado Estacionario involucran en su propuesta la formulación de una nueva cosmología. Su motivación: restablecer la estabilidad del universo. En esta teoría se admite el movimiento de recesión de las galaxias. Pero se compensa el enrarecimiento del universo con la hipótesis de una continua creación de materia. Así, a pesar de la expansión la densidad del cosmos (galaxias y átomos) permanece invariable. Resultado: pese a las apariencias, el universo es estático y eterno. Pero esto lleva implícito algo más. Crear materia aquí y allá en el universo poco a poco es una contradicción a la ley de la física que señala que la energía total en un sistema cerrado permanece constante, lo que también en alguna manera lo es cuando todo empieza con una gran explosión, ya que no se estaría conservando toda la energía en el proceso. Pero para ellos, hacer que la materia apareciera gradualmente parecía preferible, ya que con ello es más cómodo soslayar o echar a un lado la cuestión del Creador. Para enmarcar esta argumentación en una idea física sostenible, en un principio, introducen en su modelo un campo de creación continua de materia para el universo, conocido como campo C. Luego, en un desarrollo posterior de la idea, Hoyle junto con el astrofísico hindú Jayant Vishnu Narlikar, localizan a la creación continua de materia en regiones del universo que presenten altísimos índices de intensivos campos gravitacionales, como núcleos de galaxias activas y quásares. Esto último, es plasmado en un trabajo sobre la gravitación conocido como teoría de Hoyle-Narlikar.

Este modelo del estado estacionario o «steady state» ha sido y es bastante popular entre los científicos aunque no concita a la mayoría. Goza de un número más que apreciable de adeptos y, aunque observaciones contradicen sus afirmaciones, continúan sosteniéndolo hasta hoy, claro está que con nuevos argumentos que iremos describiendo en el transcurso de este trabajo. La obstinación de los científicos seguidores del modelo viene a ilustrar la fuerza del paradigma del universo estático.

Entre los argumentos de discusión a los que apelaban y, aún lo hacen, los partidarios del modelo de un universo en estado estacionario, se hallaban el problema de la incompatibilidad de las medidas de la constante de Hubble y la edad del universo deducida a partir de los objetos que contiene.

Si el universo es homogéneo e isotrópico en cualquier época, la constante de Hubble debe ser una invariante permanente, por lo que de la relación velocidad–distancia se deduce que:

ν = dα / dt = H α,

en que, tiene una solución exponencial para el parámetro de expansión:

α (t) = Ex [ H ( t – t₀ ) ],

la cual es del mismo tipo que la del modelo de de Sitter, con la diferencia que aquí se obtiene a partir de un principio de simetría, a diferencia de la de de Sitter que es una posible solución a la ecuación de Friemann que ya conocimos cuando describimos matemáticamente el modelo FRW.

Dado que el radio de curvatura es invariante, o sea, que no puede cambiar con el tiempo, éste solamente entonces puede ser infinito, por lo que la geometría espacial es de densidad crítica exactamente igual a la descrita en la cosmología FRW.

En lo formulado en el modelo del estado estacionario, la densidad ρ de materia es una constante en el tiempo, con el objeto de que el universo muestre siempre la misma imagen en todo momento. Pero un volumen dado de universo experimenta en un instante dt una variación proporcional a 3 α² dα; en consecuencia, la cantidad de materia

n por unidad de volumen variaría con el tiempo como:

dn / dt = – 3 nα⁻¹ dα / dt + dn(creada) / dt.

Por lo tanto, esta variación por unidad de volumen debe ser igual a cero, por lo que:

dn(creada) / dt = 3 n H.

De lo que se deduce que un observador verá un ritmo de creación de materia que, en un tiempo de Hubble, ésta se renueva unas tres veces en promedio. Lo anterior, implica que la edad media de las galaxias no puede ser en promedio mucho mayor que 1 / ( 3 H ).

Pero uno de los descalce que se produce entre lo observado en el universo y lo propugnado por el estado estacionario se da en la distinción de la densidad del universo, la cual es factible estudiar analizando como se expanden las galaxias. Para ello, estudiemos el gráfico que insertamos, abajo, a la izquierda.

La expansión de las galaxias. El diagrama indica la velocidad de alejamiento de las galaxias en función de sus distancias. La pendiente de la recta de la «constante de Hubble».
Horizontalmente: la medida de la distancia es proporcionada por la luminosidad de las galaxias más brillantes de diferentes grupos.

Verticalmente: velocidades en km por segundo. Las diferentes curvas describen la relación velocidad–distancia en función de la densidad supuesta del universo (en unidades de la densidad crítica). Cuanto más denso es el universo, tanto más a la izquierda se sitúa la curva en el dibujo. La comparación con los puntos observados muestra que la densidad real es tres veces inferior a la densidad crítica. La curva más baja es la esperada en un universo estacionario. Ello aparece absolutamente incompatible con lo que se ha observado.

Ahora, con respecto al asunto de la edad del universo. La contradicción que se presentó en la época cuando se formuló el modelo del estado estacionario se debió a una errónea estimación de la distancia de las galaxias. Para estimar la edad aproximada del universo las observaciones de Hubble nos sugieren un cálculo sencillo. Conociendo la distancia y velocidad de las galaxias, sólo es necesario calcular el tiempo que han demorado en alcanzar esas distancias a la velocidad que se ha estimado que se alejan, lo que nos permite tener una idea sobre la edad del universo.

Los primeros cálculos que se hicieron usando el método que hemos descrito, dieron como edad estimada para el cosmos alrededor de 1.800 millones de años, lo que resultaba claramente inferior a la que se conocía para el sistema solar (4.500 millones de años). Posteriormente, gracias a una reevaluación de la escala de las distancias, se pudo obtener edades cósmicas consecuentes con los estudios geológicos de la Tierra.

Por otra parte, sabemos de estrellas de nuestra propia galaxia que tienen una existencia superior a los 10.000 millones de año lo que, considerando la incertidumbre de las observaciones, hace compatible a la teoría que formula que el universo tuvo un comienzo con la posible edad para el universo que nos estaría entregando la longevidad de esas estrellas. De hecho, esta compatibilidad entre la grilla de edad delimitada por el estudio de las estrellas y las estimaciones que se tienen hoy para la edad del universo se puede considerar un argumento más en favor de que hubo un comienzo. Nada garantizaba a priori esta compatibilidad.

Pero lo que más se acomoda a la fundamentación sobre que el universo tuvo un inicio y, a su vez, más descoloca a los heterodoxos como, también, a los escépticos que abundan por ahí, con argumentos más que discutibles, es el mensaje del espectro inserto en el cosmos. La temperatura de 2,7°K (–270°C) es la de la radiación observada hoy en nuestro universo, enfriado por miles de millones de años de expansión cósmica y cuyo origen se encuentra en las emisiones generadas por un cuerpo caliente a temperaturas homogéneas. Este cuerpo isotermo está disperso en la escala del cosmos; la radiación proviene uniformemente de todas las direcciones.

De lo que conocemos de nuestro universo, nada puede ser distinguido como fuente de esta radiación. Todos los objetos que hemos logrado clasificar a través de las observaciones astronómicas, ninguno reúne las condiciones isotérmicas de esta radiación, llámense galaxias, quásares, estrellas, planetas, nebulosas, ya que ellos presentan temperaturas de escala disímil. Pues, entonces ¿de dónde viene esa radiación? Aunque esto lo tenemos planificado para estudiar más adelante, de todas maneras vale la pena que veamos algo aquí sobre ello, de forma muy sintetizada, que pudo haber pasado; en el pasado.

Corramos hacia atrás la proyectora de la historia del universo. En la medida en que vamos observando un aumento de la temperatura y de la densidad, iremos viendo a los astros deshacerse y dispersarse en el espacio en una nube ardiente, homogénea e isoterma. Esta sustancia incandescente es la fuente de la radiación fósil. Como no estamos de ánimo para la ficción, entonces señalemos, pues, que todo esto es apoyado por experiencias de laboratorio y fundamentados escenarios matemáticos (como hemos visto en secciones y capítulos precedentes) y, los cálculos que se tienen, señalan que ésta fue emitida cuando el universo estaba a cerca de tres mil grados K, hace unos trece mil setecientos millones de años. Según el reloj convencional, el universo tenía entonces algo más de setecientos millones de años. Ante cualquier duda, precisemos aquí que nuestra capacidad científica nos permite describir el universo hasta fracciones de segundo después de iniciada su evolución y se espera que fines de esta década, se pueda crear condiciones en laboratorios más allá de las logradas hasta ahora (desde los 10 microsegundos) que no se han repetido desde las primerísimas fracciones del primer micro segundo que siguieron a la creación del universo. En los residuos que se generan en los laboratorios en los experimentos de hacer chocar entre sí protones, y habiéndose desagregado ya de la materia el plasma de quark-gluones, los físicos experimentales esperan hallar una partícula nunca antes detectada, llamada Higgs. Se supone que esa partícula, inmediatamente después de la explosión primigenia, unos 13.699 millones de años, cuando todas las fuerzas del cosmos eran un sólo campo simétrico y unificado, actuó igual que un combo de hierro al golpear un espejo, destrozando la perfecta simetría y repartiendo esta masa de escombros en diferentes clases de partículas elementales, como los electrones y la esperada hallar luego como la axión. Esto se extrae de la hipótesis del Big Bang que vamos a estudiar más adelante. Ahora, si no se descubre la partícula Higgs, no cabe duda que va a ser motivo de cuestionamientos, no sólo para la hipótesis de la gran explosión, sino que también para el modelo de fuerzas y materias y sus variantes.

Pero sigamos con la película de la historia del universo. Sabemos que éste está estructurado en un 90% de átomos de hidrógeno. Hemos experimentado que a 3.000°K, la agitación térmica ioniza estos átomos. Su materia toma la forma de un plasma eléctrico, compuesto de protones (el núcleo del átomo de hidrógeno) y de electrones libres, quedando como una sustancia opaca a la luz.

Cuando la temperatura empieza a descender por debajo de los 3.000°K, los electrones se fijan a los protones. Un gas de hidrógeno comienza a invadir el universo lo que le hace adquirir una de su más distinguible identidad: hacerse transparente a la luz. La radiación fósil se emite en ese momento, comenzando su largo periplo de miles de millones de años luz.

Todo fósil tiene almacenado en su memoria el pasado de su existencia. La temperatura de la radiación que hemos descrito ha disminuido de 3.000 a 2,7 grados K, pero la forma térmica del espectro ha permanecido graficada en este flujo de radiación que el Big Bang nos hace llegar.

En los últimos tiempos se han formulado múltiples teorías con bastante semejanza entre sí o se han reformulado otras que parecían destinadas a ser olvidadas. Sin embargo, el acelerado y vasto progreso tecnológico y las consecuentes nuevas y más precisas observaciones de todos los días, han permitido elaborar nuevas tesis argumentadoras a favor o en contra de teoría preexistentes o a poner en jaque a algunos teorizantes.

Cada año, es posible ubicar más de una publicación, dentro de los muchos medios de difusión de estos temas, de que concebir una gran explosión como generadora del universo actual es innecesaria. Sostienen la expresión de sus plumas con argumentos extraídos, fundamentalmente, de la observación directa. Si bien éstas son realidades concretas, por sí solas no son evidencias duras en contra del Big Bang, ya que de ellas, lo que se extrae, normalmente son conjeturas.

Desde la década de los años 1950 los argumentos esgrimidos en contra de la hipótesis del Big Bang se centran en las mismas objeciones, unas de carácter filosófico y la mayoría con base en razonamientos científicos. Es necesario sí, reconocer que estas últimas siempre representan una actualización en función de las observaciones directas.

El Big Bang ha sido una de las teorías científica que concita preguntas que permanecen arraigada en el marco de la naturaleza humana. Como ya señalamos antes con ella, podemos describir la evolución del universo hasta un tiempo de más o menos 10 micro segundos después de la gran explosión inicial, pero no hemos llegado al segundo cero. Es muy probable que la física lo logre en el futuro, cuantizando el espacio-tiempo, con lo cual nuestra concepción sobre él puede ser alterada nuevamente de modo radical. Pero supongamos que llegamos al espacio-tiempo cero, surge la pregunta quién hace ese instante. El cómo ocurre es una pregunta que todavía está dentro del campo de la física. Si uno quiere puede decir que es una acto de creación divina, pero si uno no cree en un ser superior no necesita hacerlo, desde el punto de vista de la física. La pregunta sobre qué hay antes de ese instante cero, para la ciencia no tiene sentido. Hay gente que cree que sí debe tenerlo y busca un camino que permita encontrar un sentido. Como según el Big Bang, es factible concluir que el universo tiene un final, entonces los tiempos anteriores al inicial no existen: no hay espacio, no hay tiempo, no hay materia, no hay energía. Estamos fuera de la física.

TEORÍA DEL UNIVERSO PULSANTE

Es posible que bajo el Sol no encontremos nada nuevo; sin embargo, el estudio del cosmos ha sido y lo continúa siendo una apabullante caja de sorpresas. Hasta los años 20 del siglo XX, los científicos preferían creer que el espacio era infinito y eterno. Se coincidía en la vaga noción de que éramos únicos en un universo hueco e insondable. Pero, como ya lo hemos mencionado en secciones precedentes, la historia empieza a cambiar cuando el matemático ruso Alexander Friedmann en 1922, desafiando las afirmaciones de Albert Einstein de que el universo era estático, publicó un ensayo en el cual demostraba un error en los cálculos de Einstein y que las propias ecuaciones de éste permitían la descripción de un universo que evoluciona. En 1927 el sacerdote belga y físico teórico George Lemaître aprecia los estudios de Friedmann y galvanizó a los cosmólogos con su propuesta de que un «átomo primigenio», denso y muy caliente estalló en forma similar a la bola de fuego del Big Bang para crear el actual universo. En los años de 1920, el astrónomo Edwin Hubble y otros colegas suyos con sus observaciones demostraron que el universo se estaba expandiendo; todas las galaxias se alejaban unas de otras, incrementando el espacio entre ellas y sus vecinas.

Aunque Lemaître, «el padre de la teoría del Big Bang», diese el primer paso, su versión moderna se debe a George Gamow y a sus alumnos Ralph Alpher y Robert Herman. En los años de 1940, calcularon la síntesis de los elementos químicos de la explosión primordial y, al hacerlo, trasladaron la idea del Big Bang del campo de las hipótesis al terreno de la ciencia de observación. Alpher y Herman estimaron que el espacio debería estar actualmente bañado por un mar de energía electromagnética que, en términos del cuerpo negro, estimaron que ésta debía bordear los 5° K por encima del cero absoluto, lo que informaron en una carta enviada a la revista científica Nature en 1948. La estimación sobre la existencia de la energía electromagnética quedó confirmada cuando, dieciocho años después, Penzias y Wilson lograron identificarla, calculando que esta comportaba una temperatura de 2,7°K.

La demostración hecha por Hubble, como la comprobación de la temperatura de la radiación de fondo que realizaron Penzias y Wilson, dieron cabida para que desde la década de los años ’50 del siglo XX , surgiera una aceptación mayoritariamente generalizada de la hipótesis de que el universo había tenido su comienzo en la explosión de un átomo primigenio; que las enormes densidades y las altas temperaturas al principio del tiempo y del espacio pudieron haber borrado la distinción entre materia y energía (big squeeze), y que de ese guiso materia energía se habría generado la energía radiante. Luego, mientras el universo comenzaba a expandirse y a enfriarse, la primera materia en emerger lo habría hecho en forma de partículas elementales: protones, neutrones y electrones constituyendo lo que se ha llamado «ylem», un término tomado de Aristóteles, para esta materia primordial. Posteriormente, a medida que se enfriaba y se hacía menos denso el «ylem» y se reducía la radiación de alta energía, los neutrones existentes empezaron a combinarse con protones, formándose los núcleos atómicos. Los protones solitarios atraían a los electrones para crear átomos de hidrógeno, y los núcleos más pesados reunían también sus complementos más grandes de electrones. El big squeeze pudo haber sido el crisol de todos los elementos observados hoy en el universo. En esto hay que consignar que diferentes investigaciones de laboratorio han concluido que lo inmediatamente anterior descrito ocurrió dentro de los primeros minutos de la expansión cósmica donde se constituyó un proceso igual que la alquimia: En el ylem, una sustancia era transformada en otra.

Pero esta cuestión del ylem, también dio cabida a la idea de un universo pulsante, que será materia de nuestra descripción a continuación.

Si, como hace más de 80 años lo propuso en su teoría el astrónomo belga Georges Lemaître, miles de millones de años toda la materia y la energía que hoy constituyen el universo estuvieron comprimidas en un gran átomo primigenio, este inimaginable conjunto habría ocupado un espacio semejante al de una esfera cuyo diámetro fuera igual a la distancia de la Tierra al Sol (1/70.000 años de luz). Si se compuso de energía, su temperatura debió alcanzar los 10.000.000°C; y si de materia, ésta debió haber tenido características totalmente distintas a las que nos son familiares.

La materia dispersada por la explosión de este coloso habría constituido el universo en expansión del cual formamos parte. Condensándose y quebrándose por la gravitación mutua, habría creado las galaxias y las estrellas, que continuaron volando hacia fuera para siempre, hasta llegar, eventualmente, a estar tan alejadas que ningún astrónomo de ninguna de ellas podría ver a muchas de las otras. El universo sería ilimitado.

Esta teoría fue revisada en la década de los cuarenta del siglo XX, por George Gamov, y fue rebautizada despectivamente con el nombre de la teoría del Big Bang, por el matemático y astrofísico británico Fred Hoyle, premio Kalinga 1967.

Pero antes de que Gamov le diera una estructura más moderna y científica a la propuesta de Lemaître sobre un universo expansivo, otros objetaron que al ser las galaxias mutuamente atraídas por la gravitación general, la velocidad inicial impuesta por la explosión ha debido tender a disminuir y terminará por reducirse a cero para cambiar después el sentido del movimiento en 180° y concentrarse para volver a estallar en un movimiento cíclico de muy largos períodos e interminable. Viviríamos entonces en un universo pulsante u oscilante.

El primero en hablar sobre un universo pulsante u oscilante fue el físico Richard Tolman, del Instituto Tecnológico de California, cuyos estudios y propuestas fueron publicados a comienzos de la década de 1930. Un universo pulsante es cerrado, pero no desaparece después de colapsar, sino que inicia un nuevo ciclo expansivo; el proceso de expansión y contracción se reitera y pasa por numerosos nuevos ciclos. Si nuestro universo fuese pulsante, debería ser muchísimo más viejito que la edad que se le calcula de unos 13.700 millones de años, ya que los seguidores de este modelo calculaban para él 10.000 millones de años, cálculo que sólo medía el tiempo transcurrido desde el inicio del último ciclo de expansión.

Según esta teoría, antes de este ciclo que estaríamos viviendo, habría existido un universo muy semejante al actual, y que, después de haberse expandido, se contrajo y formó el «ylem» o gran átomo primigenio. En cada cielo se producirían colapsos gravitacionales de conjuntos que se comprimen en sí mismos y disipan de nuevo toda su masa en forma de energía, para volver posteriormente a materializarse. Podría haber sucedido también que presiones internas hubieran frenado las contracciones y, antes del aniquilamiento atómico, hubiesen provocado explosiones directamente materiales. En ambos casos se trataría de una sucesión de fenómenos semejantes, trabajando en sistema cerrado dentro de un universo pulsante, o, más poéticamente, en un eterno retorno, sin fin dentro del tiempo, pero cuyo límite espacial quedaría fijado por las más lejanas regiones hasta donde las explosiones logren llegar para detenerse y transformarse en contracciones.

Pero este modelo de universo pulsante, más allá de su posible violación a la segunda ley de la termodinámica, cayó en desgracia cuando el trabajo teórico de Roger Penrose y Stephen Hawking, ambos en la Universidad de Cambridge en ese momento, probó que no existía ningún mecanismo plausible capaz de producir pulsaciones. En términos específicos, Penrose y Hawking demostraron que el universo debía haberse originado a una densidad muchísimo mayor de la que se había contemplado y propuesto para el «rebote» de cada ciclo de un universo pulsante. En realidad, el trabajo de Penrose y Hawking no eliminó los universos pulsantes; simplemente suprimió todos los modelos existentes de universos pulsantes u oscilantes, anulando de este modo la justificación científica para tenerlos en consideración.

Pero como muchas de las ideas en física, con el tiempo reflotan con nuevas argumentaciones. En octubre del año 2006, los físicos Paul Frampton, Louis J. Rubin Jr. y Lauris Baum, publicaron en el Physical Review, una nueva formulación para el modelo pulsante. En ella, propugnan cuatro nuevos conceptos claves que volverían al tapete de la discusión a este modelo, ellos son: expansión, vuelta, contracción y rebote.

El universo, en su fase de expansión, la energía oscura que se sabe que contiene, y que actúa como una fuerza que hace que el universo se expanda aceleradamente, espolea a los fragmentos de materia alejándolos entre sí formando «aislados aglomerados» con el material que empuja a su paso. Al finalizar la fase, todos los objetos que cohabitan en el espacio, desde agujeros negros a átomos, se desintegrarían. Una vez, finalizada la fase, el actual tiempo llegaría a su fin, para dar comienzo a la vuelta de un nuevo inicio de éste.

En la fase de la vuelta, cada uno de los elementos que contiene el universo colapsan y se contraen individualmente. En esto, la teoría difiere con la del Big Bang: en lugar de volver y aglutinarse en uno solo punto, se formarían infinitas aglomeraciones separadas de materia, las cuales al expandirse luego del rebote formarían nuevos universos. Uno de esos aglomerados podría ser el embrionador de nuestro universo.

Se trataría de un ciclo que ocurriría una infinidad de veces, lo cual eliminaría el concepto de principio o final del tiempo, por lo que, no quedaría lugar para que haya existido un Big Bang. Para los autores de la idea, sus propugnaciones no violarían los principios de la termodinámica, con lo que le da viabilidad a que se considere al modelo de universo pulsante, con esta corrección, como una factibilidad realista.

Primero, los cosmólogos ofrecieron un modelo de universo pulsante oscilante en la década de 1930, como alternativo al Big Bang, sin principio ni fin. Pero como lo mencionamos, dicha idea fue cuestionada debido a que no se conciliaba con las leyes de la física, incluyendo en ello, en espacial, a la segunda ley de la termodinámica, la cual establece que la entropía, como una medida de la magnitud de grado de desorden, no puede ser destruida. Pero si se produce un incremento de la entropía de una pulsante oscilación a la siguiente, el universo se iría volviendo cada vez más grande en cada uno de los ciclos. En otras palabras: el universo crecería como una galopante bola de nieve. Por otro lado, cada pulsante oscilación sucesivamente irían también tomando más tiempo en la medida que se irían produciendo. Por su parte, si se extrapola retrospectivamente en el tiempo las pulsantes oscilaciones, entonces éstas habrían sido cada vez más cortas, lo que implica a que ello conduce inevitablemente a un Big Bang.

Pero como la idea de los propugnadores de esta nueva versión de la teoría del universo pulsante es la de eludir el Big Bang, ellos postulan que cualquier resto de entropía es una remota modificación para que coexista interacción. Por ello, consideran que cualquier casual modificación llega a universos separados, cada uno de ellos esencialmente vacíos de materia y entropía. Lo medular es, de que no exista materia alguna que cree insuperables dificultades con la contracción. La idea de volver al vacío es el argumento más importante de este nuevo modelo cíclico.

También es clave dentro de las argumentaciones de la tesis de Frampton, Rubin y Baum, un supuesto matemático acerca de la presión y densidad de la energía oscura en la ecuación de estado. Ellos asumen que la energía oscura en la ecuación de estado es siempre inferior a –1. Lo último, los diferencia de lo propuesto en el año 2002 por los físicos Paul Steinhardt y Neil Turok, quienes en su trabajo sobre un modelo cíclico semejante, asumen que en la ecuación de estado dicha energía no es nunca inferior a –1.

Una ecuación de estado negativa le permite, a los propugnadores de esta nueva idea sobre el modelo de universo pulsante, detener la aparente irreversible expansión del universo, el llamado big rip por los físicos. En una ecuación de estado con esas características matemáticas, permite que la densidad de la energía oscura se vuelva igual a la del universo, con lo que la expansión matemáticamente se detiene justo antes del Big Rip

COSMOLOGÍA DE BRANAS

La cosmología de branas se refiere a varias teorías de la física de partículas y de la cosmología motivadas por la teoría de supercuerdas y teoría M.

Las branas y el “bulk”

La idea central es que la parte visible de nuestro universo de cuatro dimensiones está limitada a una brana dentro de un espacio de dimensionalidad superior llamado el "bulk" o “bulto“ en español. Las dimensiones adicionales, compactas, están enrolladas en un espacio de Calabi-Yau. En el modelo del "bulk", otras branas pueden estar moviéndose a través del bulk. Interacciones con el Bulk, y posiblemente con otras branas, pueden influenciar nuestro universo-brana y de allí que puede introducir efectos no vistos en más modelos cosmológicos estándar.

Explicación de la debilidad de la gravedad

Esta es una de las características atractivas de esta teoría, en la que explica del porque la debilidad de la gravedad lo es con respecto al resto de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, solventando el llamado problema de jerarquía. En el escenario de branas, las otras tres fuerzas de la naturaleza, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte, están confinadas como cuerdas ancladas a nuestra 3-brana universo, difiriendo la gravedad, que se piensa sea como una cuerda cerrada no anclada, y por lo tanto, gran parte de su fuerza atractiva "filtra" o se escapa al "bulk". Como consecuencia de ello, la fuerza de la gravedad debe aparecer con más fuerza en las pequeñas escalas, donde menos fuerza gravitacional se ha "filtrado".

Modelos basados en la cosmología de branas

Existen dos grandes grupos de teorías basados en la cosmología de branas. El primer grupo mezcla aspectos de la teoría M con la cosmología inflacionaria. El segundo grupo, de más reciente formulación, argumenta la existencia de una cosmología de branas basada en la teoría M sin recurrir al modelo inflacionario. El modelo de Randall-Sundrum (RS1 y RS2) se puede ajustar a los criterios de cualquier modelo de ambos grupos.

En la cosmología inflacionaria el universo adquiere sus características observables (problema del horizonte, planitud y de monopolos magneticos) después del Big Bang, mientras tanto en los modelos ecpirótico y cíclico las características observables derivan de un momento previo al big bang debido a un choque entre branas. El cosmólogo Alexander Vilenkin argumenta que en los modelos inflacionarios el tiempo esta autocontenido dentro del universo marcando el Big Bang su comienzo (tiempo finito). Mientras tanto el cosmólogo Neil Turok propone que en los modelos donde se dan los choques entre branas el tiempo ya existía antes del Big Bang (tiempo infinito).

Modelo de Randall-Sundrum

El modelo de Randall-Sundrum, dentro de la cosmología de branas, es una ideación que describe el universo con más dimensiones por medio de una geometría alabeada o deformada. Más concretamente, nuestro universo es un espacio anti de Sitter de cinco dimensiones y las partículas fundamentales, exceptuando el gravitón, están ancladas a una 3-brana.

Estos modelos (RS1 y RS2) fueron propuestos en 1999 por Lisa Randall y Raman Sundrum debido a que ellos no estaban satisfechos con los modelos universales con dimensiones extra que estaban entonces en boga.

Tales modelos requieren dos rasgos finos, el primero de ellos para describir el valor de la constante cosmológica del “bulk" y otra para las tensiones dentro de la brana. Después, mientras estudiaban los modelos RS en el contexto de la correspondencia Ads/CFT mostraron como este puede ser dual a los modelos tecnicolor del modelo estándar de física de partículas.

De allí nacieron dos modelos populares. El primero, llamado RS1, con un tamaño finito para las dimensiones extra con dos branas, cada una en cada lado o extremo. El segundo modelo, llamado RS2, es similar al primero, pero una de las branas ha sido colocada infinitamente lejos, de modo que sólo hay una brana a la izquierda del modelo.

MODELO DE UNIVERSO EKPIROTICO

El universo o escenario ekpirótico  es un modelo cosmológico acerca del  origen y forma de la universo. El modelo ekpirótico es un precursor, y parte del modelo cíclico.

El término ekpyrosis significa conflagración en griego, y se refiere a un antiguo modelo cosmológico estoico. Según el modelo, el universo se crea en un súbito estallido de fuego, no muy diferente de la colisión entre mundos tridimensionales en nuestro modelo. El universo actual evoluciona del fuego inicial.

El modelo ekpirótico ha recibido atención reciente de los cosmólogos, y ha sido debatido en una serie de artículos que sugieren que es una alternativa a la teoría del Big Bang.

El modelo  ekpirótico del Universo propone que nuestro universo actual surgió de un choque de dos mundos tridimensionales (branas) en un espacio con un extra (cuarta) dimensión espacial.

El modelo se basa en la idea de que nuestro universo fue creado a partir de la colisión de dos mundos de tres dimensiones a lo largo de una dimensión oculta, extra. Los dos mundos tridimensionales chocan y la energía cinética de la colisión se convierte en quarks, electrones, fotones, etc, que se limitan a moverse en tres dimensiones. La temperatura resultante es finita, por lo que el gran calor de la fase de explosión comienza sin una singularidad. El universo es homogéneo debido a la colisión, y el inicio de la fase de big bang se produce casi simultáneamente en todas partes. La geometría de energía preferida para los dos mundos es plana, por lo que produce la colisión de un universo plano del big bang. De acuerdo con las ecuaciones de Einstein, esto significa que la densidad de energía total del Universo es igual a la densidad crítica.

En el momento en que la colisión es completa, la ondulación conduce a pequeñas variaciones en la temperatura, y  las fluctuaciones de temperatura son las semillas del fondo de microondas y de la formación de las galaxias. El  espectro de las fluctuaciones de densidad de energía es invariante en escala (la misma amplitud en todas las escalas). La producción de un espectro de escala invariante de hiperexpansión fue uno de los grandes triunfos de la teoría inflacionaria.

Los bloques de construcción de la teoría ekpirótica se derivan de la teoría de supercuerdas. La teoría de las supercuerdas requiere de dimensiones adicionales para la coherencia matemática. En la mayoría de las formulaciones, se requieren 10 dimensiones. A mediados de la década de 1990, Petr Horava (Rutgers) y Ed Witten (IAS, Princeton) sostuvieron que, en determinadas condiciones, una nueva dimensión se abre en un intervalo finito. Seis dimensiones se suponen que están acurrucadas en una bola microscópica, llamada Calabi-Yau. El balón es demasiado pequeño para ser observado en la experiencia cotidiana, y así nuestro universo parece ser una de cuatro dimensiones (tres dimensiones espaciales y una dimensión de tiempo) incrustado en una superficie de cinco dimensiones del espacio-tiempo. Esta teoría de los cinco dimensiones, llamado teoría M-heteróticos, fue formulada por Andre Lukas (Sussex). Ovrut y Dan Waldram (Queen Mary College Westerfield). Según Horava-Witten y la teoría M-heteróticos, las partículas se ven obligadas a desplazarse en una de las tres fronteras dimensiones a ambos lados del intervalo de dimensiones extra. Nuestro universo visible sería uno de esos límites, y el otro el espacio que se oculta porque las partículas y la luz no pueden viajar a través del espacio intermedio. Sólo la gravedad es capaz.  Además, pueden existir otras tres dimensiones hipersuperficies en el intervalo, que se encuentran paralelas a las fronteras exteriores y que pueden transportar la energía. Estos planos intermedios son llamados `` branas ", abreviatura de membranas. La colisión que enciende la fase caliente del big bang del modelo ekpirótico se produce cuando una membrana de tres dimensiones es atraída y choca en la frontera que corresponde a nuestro universo visible.

MODELO DE UNIVERSO CÍCLICO

Un modelo cíclico es cualquiera de los modelos cosmológicos en los que al universo siguen un indeterminable cadena de ciclos auto-sostenibles (por ejemplo: una cadena indeterminada de Big Bangs y Big Crunches).

En la década de 1930, los físicos teóricos, en particular, Einstein, consideró la posibilidad de un modelo cíclico para el universo como una alternativa a la del Big Bang. Sin embargo, el trabajo de Richard Tolman reveló que estos primeros intentos fracasaron debido al problema que la entropía encumbra, que según la mecánica estadística, ésta aumenta debido a la segunda ley de la termodinámica. Esto implica que en sucesivos ciclos el universo crece más y más en cada ciclo. Y extrapolando hacia atrás en el tiempo, los ciclos antes de convertirse en el presente ciclo eran menores y más cortos, y en un punto hubo un ciclo iniciado por un Big Bang, no pudiendo eliminarlo de la teoría cíclica. Esta situación siguió siendo desconcertante para muchos, hasta las primeras décadas del siglo 21 cuando la recién descubierta energía oscura sembró una nueva esperanza para la cosmología cíclica.

Un nuevo modelo cíclico es el modelo basado en la cosmología de branas sobre la formación del universo, derivado del anterior modelo ecpirótico. Se propuso en 2001 por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y Neil Turok de la Universidad de Cambridge. La teoría describe un universo emergiendo hacia la existencia no sólo una vez, sino en repetidas ocasiones a través del tiempo. La teoría podría explicar por qué una misteriosa forma repulsiva de energía conocida como la "constante cosmológica" está acelerando la expansión del universo, que es de varios órdenes de magnitud menor que la predicha por el modelo estándar del Big Bang.

El modelo Steinhardt–Turok

En este modelo cíclico basado en la cosmología de branas, rival del modelo inflacionario, dos láminas tridimensionales o 3-branas colisionan periódicamente. Según esta teoría la parte visible del universo de cuatro dimensiones representa una de esas branas, quedando la otra brana oculta a todas las fuerzas de la naturaleza excepto la gravedad. Cada ciclo consiste en que cada una de las branas dentro de un espacio-tiempo tetradimensional y separadas por una dimensión espacial muy corta y seis enrolladas chocan con cierta periodicidad creando condiciones parecidas a las del big bang del modelo inflacionario.

Según la teoría, después de millones de años, al aproximarse el final de cada ciclo la materia y la radiación se diluyen a casi cero debido a una expansión acelerada del universo alisando las dos branas pero con pequeños rizos o fluctuaciones cuánticas aún presentes que imprimirán en el próximo choque con no uniformidades que crearán grumos o cúmulos que generarán estrellas y galaxias.

Este modelo tiene la ventaja sobre el modelo inflacionario en que cada colisión no es el comienzo del universo y resuelve el problema del horizonte, monopolos magnéticos y de planitud de otra forma más lenta, debido a que antes del choque ya las membranas y su fuerza entre ellas (energía oscura) imprimirían características de antemano en el próximo ciclo dándole su homogeneidad (isotropía) y su geometría euclidiana (plana) como en nuestro universo.

Este nuevo modelo evade el efecto de la entropía que se observaba en el modelo de Tolman pero no evade la probabilidad de que las fluctuaciones cuánticas irrumpan un ciclo, doblando una brana sobre la otra, atascando el modelo. Esto provocaría que no se sigan los ciclos indefinidamente. Aunque se propone que estos ciclos pueden ser indefinidos mientras que la solución sea un atractor. Además, al igual que la inflación cósmica, es sabido que mientras el carácter general de las fuerzas (como en el modelo ecpirótico, o como la fuerza entre branas) requiere de fluctuaciones del vacío, ahí todavía no hay un candidato entre la física de partículas. Aún la teoría es altamente especulativa y aún no se comprende exactamente lo que sucede al colisionar dos branas. Incluso la misma teoría M es todavía controversial entre los físicos.

El modelo de Frampton Baum

Este modelo cíclico más reciente, de 2007, de un supuesto técnico diferente respecto a la ecuación de estado de la energía oscura que relaciona la presión y la densidad a través de un parámetro w. Se supone w <-1 a través de un ciclo, como en la actualidad (por el contrario, Steinhardt-Turok asume w nunca menor que -1.) En el modelo de Frampton Baum, un septillion (o menos) de un segundo antes del Big Rip, se produce un cambio y sólo un parche causal se mantiene como nuestro universo. El parche genérico no contiene ningún quark o leptón,  sólo energía oscura. El proceso adiabático de la contracción de este universo mucho más pequeño se lleva a cabo con la entropía de fuga constante. La idea de que el universo "vuelve al vacío" es una nueva idea central de este modelo cíclico, y evita muchas dificultades al contemplar la materia en una fase de contracción con proliferación y expansión de agujeros negros. La sorprendente condición w <-1 puede ser lógicamente inevitable en una cosmología cíclica verdaderamente infinita debido al problema de la entropía. Sin embargo, de nuevo existen muchas limitaciones técnicas de cálculo para confirmar la coherencia del enfoque. Aunque el modelo toma prestadas ideas de la teoría de cuerdas, no asume toda su teoría, aunque estos dispositivos especulativos pueden proporcionar los métodos más rápidos para investigar la coherencia interna. El valor de w Baum en el modelo de Frampton se puede situar arbitrariamente cerca de -1, pero debe ser siempre inferior.

MODELO DEL BIG BOUNCE

El Big Bounce ( gran rebote) es un modelo científico teórico relacionado con la formación del Universo conocido. Se deriva del modelo cíclico o Universo oscilante e interpreta el Big Bang como el primer evento cosmológico resultado del colapso de un universo anterior.

Expansión y contracción

Según algunos teóricos de Universo oscilante, el Big Bang fue simplemente el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción. Desde este punto de vista, se podría hablar de un Big Crunch seguido por un Big Bang, o, más sencillamente, un Big Bounce. Esto sugiere que podría se estar viviendo en el primero de todos los universos, pero se tiene la misma probabilidad de estar viviendo en el universo 2 mil millones (o cualquier otro de una secuencia infinita de otros universos).

La idea principal detrás de la teoría cuántica del “gran rebote” es que, a medida que se acerca la densidad a lo infinito, el comportamiento de la espuma cuántica cambia. Todas las llamadas constantes físicas fundamentales, incluida la velocidad de la luz en el vacío, no eran tan constantes durante el Big Crunch, especialmente en el intervalo de estiramiento 10^-43 segundos antes y después del punto de inflexión. (Una unidad de Tiempo de Planck es de aproximadamente 10^-43 segundos.)

Si las constantes físicas fundamentales se determinaron en un quantum de forma mecánica durante el Big Crunch, entonces sus valores aparentemente inexplicables en este universo no serían tan sorprendentes, entendiendo que aquí un universo es lo que existe entre un Big Bang y su Big Crunch.

MULTIVERSO

Multiverso es un término usado para definir los múltiples universos posibles, incluido nuestro propio universo. Comprende todo lo que existe físicamente: la totalidad del espacio y del tiempo, todas las formas de materia, energía y cantidad de movimiento, y las leyes físicas y constantes que las gobiernan.

La idea de que el universo que se puede observar es sólo una parte de la realidad física dio lugar al nacimiento del concepto de multiverso. Los diferentes universos dentro del multiverso son a veces llamados universos paralelos. La estructura del multiverso, la naturaleza de cada universo dentro de él, así como la relación entre los diversos universos constituyentes, dependen de la hipótesis de multiverso considerada.

El concepto de multiverso ha sido supuesto en cosmología, física, astronomía, filosofía, psicología transpersonal y ficción, en particular dentro de la ciencia ficción y de la fantasía. El término fue acuñado en 1895 por el psicólogo William James. En estos contextos, los universos paralelos también son llamados «universos alternativos», «universos cuánticos», «dimensiones interpenetrantes», «mundos paralelos», «realidades alternativas» o «líneas de tiempo alternativas».

Clasificación de Tegmark

El cosmólogo Max Tegmark ha proporcionado una taxonomía para los universos existentes más allá del universo observable. De acuerdo a la clasificación de Tegmark, los niveles definidos pueden ser entendidos como que abarcan y se expanden sobre niveles previos.

Universos burbuja. Cada disco es un universo burbuja; los Universos 1 al 6 poseen distintas constantes físicas, correspondiendo nuestro universo a una de dichas burbujas.

Multiverso de Nivel I

Una predicción genérica de la inflación cósmica es un universo ergódico infinito, el cual, por su infinitud, debe contener volúmenes de Hubble que contemplen todas las condiciones iniciales.

Un universo infinito debería englobar un número infinito de volúmenes de Hubble, todos ellos con leyes y constantes físicas iguales a las nuestras. Sin embargo, casi todos ellos serán diferentes de nuestro volumen de Hubble en cuanto a configuraciones tales como la distribución de la materia en el volumen. Según las teorías actuales, algunos procesos ocurridos tras el Big Bang repartieron la materia con cierto grado de aleatoriedad, dando lugar a todas las distintas configuraciones cuya probabilidad es distinta de cero. Nuestro universo, con una distribución casi uniforme de materia y fluctuaciones iniciales de densidad de 1/100.000, podría ser un representante típico —al menos entre los que contienen observadores—.

Siendo infinito el número de tales volúmenes, algunos de ellos son muy similares e incluso iguales al nuestro. Así, más allá de nuestro horizonte cosmológico, existirá un volumen de Hubble idéntico al nuestro. Tegmark estima que un volumen exactamente igual al nuestro estaría situado aproximadamente a una distancia de 10^(10115) m —un número más grande que un googolplex—.

Multiverso de Nivel II

En la teoría de la inflación caótica eterna, una variante de la teoría de inflación cósmica, el multiverso en conjunto se estira y continuará haciéndolo para siempre; sin embargo, algunas regiones del espacio dejan de dilatarse, formándose burbujas diferenciadas, semejantes a las bolsas de gas que se forman en un pan que se está cociendo. Existe un número infinito de estas burbujas, universos embrionarios de Nivel I de tamaño infinito llenos de materia depositada por la energía del campo que provocó la inflación. La distancia que nos separa de la burbuja más cercana es «infinita», en el sentido de que no se puede llegar a ella ni aún viajando a la velocidad de la luz; el espacio existente entre nuestra burbuja y las burbujas circundantes se expande más deprisa de lo que se puede viajar a través él.

A diferencia del multiverso de Nivel I, en el multiverso de Nivel II las distintas burbujas (universos) varían no sólo en sus condiciones iniciales sino en aspectos tan relevantes como las dimensiones del espaciotiempo, las cualidades de las partículas elementales y los valores que toman las constantes físicas. Las diversas burbujas pueden experimentar diferentes rupturas espontánea de la simetría, lo que se traduce en universos de propiedades dispares. En este sentido, cabe señalar que la teoría de cuerdas sugiere que en nuestro universo alguna vez coexistieron nueve dimensiones espaciales semejantes; sin embargo, en un momento dado, tres de ellas participaron en la expansión cósmica, siendo éstas las que reconocemos actualmente. Las otras seis no son observables, bien por su tamaño microscópico, o bien porque toda la materia está confinada en una superficie tridimensional denominada «brana» —véase la teoría M— dentro de un espacio de más dimensiones. Se piensa que la simetría original entre dimensiones se rompió, pudiendo otras burbujas (otros universos) haber experimentado rupturas de simetría distintas.

Otra manera de llegar a un multiverso de Nivel II es a través de un ciclo de nacimiento y muerte de universos. Esta idea, propuesta por Richard Tolman en la década de 1930, implica la existencia de una segunda «brana» tridimensional paralela desplazada a una dimensión superior. En este sentido, no cabe hablar de un universo separado del nuestro, ya que ambos universos interaccionarían entre sí.

Este nivel también incluye la teoría del universo oscilante de John Archibald Wheeler así como la teoría de universos fecundos de Lee Smolin.

Multiverso de Nivel III

La teoría de universos múltiples de Hugh Everett (IMM) es una de las varias interpretaciones dominantes en la mecánica cuántica. La mecánica cuántica afirma que ciertas observaciones no pueden ser predichas de forma absoluta; en cambio, hay una variedad de posibles observaciones, cada una de ellas con una probabilidad diferente. Según la IMM, cada una de estas observaciones posibles equivale a un universo diferente; los procesos aleatorios cuánticos provocan la ramificación del universo en múltiples copias, una para cada posible universo. Esta interpretación concibe un enorme número de universos paralelos; dichos universos se encuentran «en otra parte» distinta del espacio ordinario. No obstante, estos «mundos paralelos» hacen notar su presencia en ciertos experimentos de laboratorio tales como la interferencia de ondas y los de computación cuántica. Supongamos que lanzamos un dado y se obtiene un resultado al azar; la mecánica cuántica determina que salen todos los valores a la vez, pudiéndose decir que todos los valores posibles aparecen en los diferentes universos. Nosotros, al estar situados en uno de estos universos, sólo podemos percibir una fracción de la realidad cuántica completa.

Tegmark sostiene que, para un volumen de Hubble, un multiverso del Nivel III no contiene más posibilidades que un multiverso de Nivel I-II. Todos los mundos diferentes con las mismas constantes físicas creados por ramificaciones en un multiverso de Nivel III pueden ser encontrados en algún volumen de Hubble en un multiverso de Nivel I. Por otra parte, una consecuencia interesante de un multiverso de Nivel III es como afecta éste a la naturaleza del tiempo. Mientras que tradicionalmente se considera que el tiempo es una manera de describir los cambios, la existencia de mundos paralelos que abarcan todas las posibles configuraciones de la materia, permite redefinir el tiempo como una manera de secuenciar estos diversos universos. Los universos en sí son estáticos, siendo el cambio una mera ilusión.^[3]

La interpretación de historias múltiples de Richard Feynman y la interpretación de muchas mentes de H. Dieter Zeh están relacionadas con la idea de «muchos mundos».

Multiverso de Nivel IV

El multiverso de Nivel IV considera que todas las estructuras matemáticas también existen físicamente. Esta hipótesis puede vincularse a una forma radical de platonismo que afirma que las estructuras matemáticas del mundo de las ideas de Platón tienen su correspondencia en el mundo físico. Considerando que nuestro universo es en sí matemático, cabe preguntarse porqué sólo ha de existir una única estructura matemática para describir un universo. En consecuencia, este nivel postula la existencia de todos los universos que pueden ser definidos por estructuras matemáticas. Residiendo fuera del espacio y del tiempo, la mayoría de ellos se encuentran vacíos de observadores. De esta manera, mientras en los multiversos de Nivel I, Nivel II y Nivel III las condicionales iniciales y constantes físicas varían permaneciendo invariables las leyes fundamentales, en el multiverso de Nivel IV éstas últimas también cambian.

De acuerdo a Tegmark, "las matemáticas abstractas son tan generales que cualquier teoría del todo que pueda ser definida en términos puramente formales, también es una estructura matemática". Argumenta que "cualquier universo imaginable puede ser descrito en el Nivel IV, cerrando la jerarquía de multiversos, por lo que no puede haber un multiverso de Nivel V".

Jerarquía de niveles

Las teorías científicas de los universos paralelos constituyen una jerarquía de cuatro niveles. Conforme aumenta el nivel, los distintos universos difieren más del nuestro. Así, en el multiverso de Nivel I los distintos universos sólo se diferencian en las condiciones iniciales mientras que en el multiverso de Nivel IV incluso las leyes físicas son distintas.

En la próxima década, mediciones más precisas de la radiación de fondo de microondas y de la distribución de la materia a gran escala corroborarán —o no— el multiverso de Nivel I ya que determinarán la topología y curvatura del espacio. A su vez, también indagarán el Nivel II poniendo a prueba la teoría de la inflación caótica eterna. En cuanto a la exploración del multiverso de Nivel III, la posible construcción en el futuro de ordenadores cuánticos puede jugar un papel crucial al respecto. Por último, el éxito o fracaso de la teoría del todo —que agruparía todos los fenómenos físicos conocidos en una sola teoría— permitirá tomar o no partido por el Nivel IV.

UNIVERSOS PARALELOS

Los universos paralelos son una concepción mental, en la que entran en juego la existencia de varios universos o realidades más o menos independientes. El desarrollo de la física cuántica, y la búsqueda de una teoría unificada (teoría cuántica de la gravedad), conjuntamente con el desarrollo de la teoría de cuerdas, han hecho entrever la posibilidad de la existencia de múltiples dimensiones y universos paralelos.

Teoría de los universos múltiples de Everett

Una de las versiones científicas más curiosas que recurren a los universos paralelos es la interpretación de los universos múltiples de Hugh Everett (IMM). Dicha teoría aparece dentro de la mecánica cuántica como una posible solución al problema de la medida en mecánica cuántica. Everett describió su interpretación más bien como una metateoría. Desde un punto de vista lógico la construcción de Everett evade muchos de los problemas asociados a otras interpretaciones más convencionales de la mecánica cuántica, sin embargo, en el estado actual de conocimiento no hay una base empírica sólida a favor de esta interpretación. El problema de la medida, es uno de los principales "frentes filosóficos" que abre la mecánica cuántica. Si bien la mecánica cuántica ha sido la teoría física más precisa hasta el momento, permitiendo hacer cálculos teóricos relacionados con procesos naturales que dan 20 decimales correctos y ha proporcionado una gran cantidad de aplicaciones prácticas (centrales nucleares, relojes de altísima precisión, ordenadores), existen ciertos puntos difíciles en la interpretación de algunos de sus resultados y fundamentos (el premio Nobel Richard Feynman llegó a bromear diciendo "creo que nadie entiende verdaderamente la mecánica cuántica").

Así serían los universos paralelos en la intepretación de Everett. Infinitos universos posibles al tirar los dados.

El problema de la medida se puede describir informalmente del siguiente modo:

1. De acuerdo con la mecánica cuántica un sistema físico, ya sea un conjunto de electrones orbitando en un átomo, queda descrito por una función de onda. Dicha función de onda es un objeto matemático que supuestamente describe la máxima información posible que contiene un estado puro.
2. Si nadie externo al sistema ni dentro de él observara o tratara de ver cómo está el sistema, la mecánica cuántica nos diría que el estado del sistema evoluciona deterministamente. Es decir, se podría predecir perfectamente hacia dónde irá el sistema.
3. La función de onda nos informa cuáles son los resultados posibles de una medida y sus probabilidades relativas, pero no nos dice qué resultado concreto se obtendrá cuando un observador trate efectivamente de medir el sistema o averiguar algo sobre él. De hecho, la medida sobre un sistema es un valor aleatorio entre los posibles resultados.

Eso plantea un problema serio: si las personas y los científicos u observadores son también objetos físicos como cualquier otro, debería haber alguna forma determinista de predecir cómo tras juntar el sistema en estudio con el aparato de medida, finalmente llegamos a un resultado determinista. Pero el postulado de que una medición destruye la "coherencia" de un estado inobservado e inevitablemente tras la medida se queda en un estado mezcla aleatorio, parece que sólo nos deja tres salidas:

(A) O bien renunciamos a entender el proceso de decoherencia, por lo cual un sistema pasa de tener un estado puro que evoluciona deterministamente a tener un estado mezcla o "incoherente".

(B) O bien admitimos que existen unos objetos no-físicos llamados "conciencia" que no están sujetos a las leyes de la mecánica cuántica y que nos resuelven el problema.

(C) O tratamos de proponer una teoría que explique el proceso de medición, y no sean así las mediciones quienes determinen la teoría.

Diferentes físicos han tomado diferentes soluciones a este "trilema":

1. Niels Bohr, que propuso un modelo inicial de átomo que acabó dando lugar a la mecánica cuántica y fue considerado durante mucho tiempo uno de los defensores de la interpretación ortodoxa de Copenhague, se inclinaría por (A).
2. John Von Neumann, el matemático que creó el formalismo matemático de la mecánica cuántica y que aportó grandes ideas a la teoría cuántica, se inclinaba por (B).
3. La interpretación de Hugh Everett es uno de los planteamientos que apuesta de tipo (C).

La propuesta de Everett es que cada medida "desdobla" nuestro universo en una serie de posibilidades (o tal vez existían ya los universos paralelos mutuamente inobservables y en cada uno de ellos se da una realización diferente de los posibles resultados de la medida). La idea y el formalismo de Everett es perfectamente lógico y coherente, aunque algunos puntos sobre cómo interpretar ciertos aspectos, en particular cómo se logra la inobservabilidad o coordinación entre sí de esos universos para que en cada uno suceda algo ligeramente diferente. Pero por lo demás es una explicación lógicamente coherente y posible, que inicialmente no despertó mucho entusiasmo sencillamente porque no está claro que sea una posibilidad falsable.

Sin embargo, en una encuesta sobre la IMM, llevada a cabo por el investigador de ciencias políticas L. David Raub, que entrevistó a setenta y dos destacados especialistas en cosmología y teóricos cuánticos, dio los siguientes resultados:

Entre los especialistas que se inclinaron por (1) estaban, Stephen Hawking, Richard Feynman o Murray Gell-Mann, entre los que se decantaron por (2) estaba Roger Penrose. Aunque Hawking y Gell-Mann han explicado su posición. Hawking afirma en una carta a Raub que «El nombre 'Mundos Múltiples' es inadecuado, pero la teoría, en esencia, es correcta» (tanto Hawking como Gell-Mann llaman a la IMM, 'Interpretación de Historias Múltiples'). Posteriormente Hawking ha llegado a decir que «La IMM es trivialmente verdadera» en cierto sentido. Por otro lado Gell-Man en una reseña de un artículo del físico norteamericano Bruce DeWitt, uno de los principales defensores de la IMM, Murray Gell-Mann se mostró básicamente de acuerdo con Hawking: «... aparte del empleo desacertado del lenguaje, los desarrollos físicos de Everett son correctos, aunque algo incompletos». Otros físicos destacados como Steven Weinberg o John A. Wheeler se inclinan por la corrección de esta interpretación. Sin embargo, el apoyo de importantes físicos a la IMM refleja sólo la dirección que está tomando la investigación y las perspectivas actuales, pero en sí mismo no constituye ningún argumento científico adicional en favor de la teoría.

Agujeros blancos y Universo de Reissner-Nordström

Se ha apuntado que algunas soluciones exactas de la ecuación del campo de Einstein pueden extenderse por continuación analítica más allá de las singularidades dando lugar universos espejos del nuestro. Así la solución de Schwarzschild para un universo con simetría esférica en el que la estrella central ha colapsado comprimiéndose por debajo de su radio de Schwarzschild podría ser continuada analíticamente a una solución de agujero blanco (un agujero blanco de Schwarzchild se comporta como la reversión temporal de un agujero negro de Schwarzschild). La solución completa describe dos universos asintóticamente planos unidos por una zona de agujero negro (interior del horizonte de sucesos). Dos viajeros de dos universos espejos, podrían encontrarse, pero sólo en el interior del horizonte de sucesos, por lo que nunca podrían salir de allí.

Una posibilidad igualmente interesante es la solución de agujero negro de Kerr que puede ser continuada analíticamente a través de una singularidad espacial evitable por un viajero. A diferencia de la solución completa de Schwarzchild, la solución de este problema da como posibilidad la comunicación de los dos universos sin tener que pasar por los correspondientes horizontes de sucesos través de una zona llamada ergosfera.

    Actualizado el 20/12/2009          Eres el visitante número                ¡En serio! Eres el número