Al principio hubo… bueno, tal vez no hubo principio. Quizás nuestro universo siempre ha existido —y una nueva teoría de la gravedad cuántica revela cómo podría ser esto posible—.
Crédito: Greg Rakozy.
«La realidad tiene tantas cosas que la mayoría de la gente asociaría con la ciencia ficción o incluso la fantasía», dijo Bruno Bento, un físico que estudia la naturaleza del tiempo en la Universidad de Liverpool en el Reino Unido.
En su trabajo, empleó una nueva teoría de la gravedad cuántica, llamada teoría de conjuntos causales, en la que el espacio y el tiempo se descomponen en trozos discretos. Según esta noción, hay una unidad fundamental de espacio-tiempo.
Bento y sus colaboradores utilizaron este enfoque de conjunto causal para explorar el comienzo del universo. Así, hallaron que es posible que no haya tenido un comienzo, que siempre ha existido en el pasado infinito y solo recientemente evolucionó hacia lo que llamamos el Big Bang.
Un cuanto de gravedad
La gravedad cuántica es quizás el problema más frustrante al que se enfrenta la física moderna. Tenemos dos teorías del universo extraordinariamente efectivas: la física cuántica y la relatividad general.
La física cuántica ha producido una descripción exitosa de tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte) hasta escalas microscópicas. La relatividad general, por otro lado, es la descripción más poderosa y completa de la gravedad jamás ideada.
Pero a pesar de todas sus fortalezas, la relatividad general es incompleta. En al menos dos lugares específicos del cosmos, las matemáticas de la relatividad general simplemente se rompen, sin producir resultados confiables: en los centros de los agujeros negros y al comienzo del universo.
El Big Bang y su evolución posterior hasta hoy en día.
Estas regiones se llaman «singularidades», que son puntos en el espacio-tiempo donde nuestras leyes actuales de la física se desmoronan, y son señales matemáticas de advertencia de que la teoría de la relatividad general se está tropezando con sí misma. Dentro de estas dos singularidades, la gravedad se vuelve increíblemente fuerte a escalas de longitud muy pequeñas.
Como tal, para resolver los misterios de las singularidades, los físicos necesitan una descripción microscópica de la gravedad fuerte, también llamada teoría cuántica de la gravedad. Hay muchos contendientes, incluida la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles.
Y ahora hay otro enfoque que reescribe completamente nuestra comprensión del espacio y el tiempo.
Teoría de conjuntos causales
En todas las teorías actuales de la física, el espacio y el tiempo son continuos. Forman un tejido suave que subyace a toda la realidad. En un espacio-tiempo tan continuo, dos puntos pueden estar tan cerca uno del otro en el espacio como sea posible, y dos eventos pueden ocurrir lo más cerca posible el uno del otro en el tiempo.
Pero otro enfoque, llamado teoría de conjuntos causales, reinventa el espacio-tiempo como una serie de fragmentos discretos, o «átomos» del espacio-tiempo. Esta teoría impondría límites estrictos a la proximidad de los eventos en el espacio y el tiempo, ya que no pueden estar más cerca que el tamaño del «átomo».
Un conjunto causal. Los elementos se representan como nodos y el orden está indicado por los bordes: el elemento «x» precede al elemento «y» si y solo si hay una ruta ascendente desde «x» hasta «y». La porción del conjunto causal que se encuentra en la región sombreada está bien aproximada por un espacio-tiempo continuo. El resto del conjunto causal forma la era de la gravedad cuántica que precede a la singularidad del Big Bang.
Por ejemplo, si estás mirando tu pantalla leyendo esto, todo parece fluido y continuo. Pero si tuvieras que mirar la misma pantalla a través de una lupa, es posible que veas los píxeles que dividen el espacio y descubrirás que es imposible acercar dos imágenes en tu pantalla más que un solo píxel.
Esta teoría de la física entusiasmó a Bento.
«Me encantó encontrar esta teoría, que no solo trata de ser lo más fundamental posible —siendo un enfoque de la gravedad cuántica y repensando la noción de espacio-tiempo en sí misma—, sino que también le da un papel central al tiempo y lo que físicamente significa que el tiempo pase, qué tan físico es realmente tu pasado y si el futuro ya existe o no», dijo el científico.
Principio de los tiempos
La teoría de conjuntos causales tiene importantes implicaciones para la naturaleza del tiempo.
«Una gran parte de la filosofía del conjunto causal es que el paso del tiempo es algo físico, que no debe atribuirse a algún tipo de ilusión emergente o a algo que sucede dentro de nuestro cerebro que nos hace pensar que el tiempo pasa; este paso es, en sí mismo, una manifestación de la teoría física», aclaró Bento.
«Entonces, en la teoría de conjuntos causales, un conjunto causal crecerá un “átomo” a la vez y se hará cada vez más grande».
El enfoque del conjunto causal elimina claramente el problema de la singularidad del Big Bang porque, en la teoría, las singularidades no pueden existir. Es imposible que la materia se comprima en puntos infinitamente diminutos; no pueden ser más pequeños que el tamaño de un átomo del espacio-tiempo.
¿Comenzó todo realmente con el Big Bang o solo fue una parte de la evolución del universo?
Entonces, sin una singularidad del Big Bang, ¿cómo se ve el comienzo de nuestro universo? Ahí es donde Bento y su colaborador, Stav Zalel, un estudiante de posgrado en el Imperial College de Londres, retomaron el hilo y exploraron lo que la teoría de conjuntos causales tiene que decir sobre los momentos iniciales del universo.
Su trabajo aparece en un artículo publicado en la base de datos de preimpresión arXiv (aún no se ha publicado en una revista científica revisada por pares).
El documento examinó «si debe existir un comienzo en el enfoque del conjunto causal», precisó Bento. «En la formulación y la dinámica del conjunto causal original, clásicamente hablando, un conjunto causal crece de la nada al universo que vemos hoy. En cambio, en nuestro trabajo, no habría Big Bang como un comienzo, ya que el conjunto causal sería infinito para el pasado, por lo que siempre hay algo antes».
Esto implica que el universo puede no haber tenido un comienzo, que simplemente siempre ha existido. Lo que percibimos como el Big Bang puede haber sido solo un momento particular en la evolución de este conjunto causal siempre existente, no un verdadero comienzo.
Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer. Todavía no está claro si este enfoque causal sin principio puede permitir teorías físicas con las que podamos trabajar para describir la compleja evolución del universo durante el Big Bang.
«Uno todavía puede preguntarse si este enfoque puede interpretarse de una manera “razonable”, o qué significa físicamente esa dinámica en un sentido más amplio, pero demostramos que un marco es realmente posible», concluyó Bento. «Así que al menos matemáticamente, esto se puede hacer».
En otras palabras, ya es un… comienzo.
Fuente: Live Science. Edición: MP.
