¿Cómo y cómo empezó el universo? Casi todas las religiones, credos y cultos ofrecen respuestas a esta pregunta, tan antigua como el mundo. Pero la ciencia se lo ha tomado en serio recientemente, solo en el siglo XX.
La respuesta más simple será la más corta: todo comenzó con el Big Bang. Esto se evidencia en las soluciones de todos los modelos razonables de la evolución del Universo, construidos sobre la base de la teoría general de la relatividad. Si los desplazamos hacia atrás en el tiempo, inevitablemente llegaremos al momento en que la densidad y la temperatura de la materia se vuelven infinitas. También debe tomarse como origen, el punto de tiempo cero. Es imposible continuar soluciones al área de épocas anteriores: las matemáticas no lo permiten.
La unica salida
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A los físicos nunca les gustó esta situación. Desde que aprendieron a calcular rigurosamente modelos mundiales, las esperanzas de deshacerse de los infinitos y mirar, por así decirlo, al pasado del Big Bang, no han desaparecido. Pero todos los intentos de encontrar modelos razonables de lo "sin comienzo", en otras palabras, el Universo eterno, resultaron infructuosos. Este estado de cosas persistió incluso después de que se desarrollaron los modelos de expansión inflacionaria del Universo temprano a principios de la década de 1980, que se basaban no solo en la relatividad general, sino también en la hipótesis del falso vacío tomada de la teoría cuántica de campos.
La inflación es una expansión súper rápida del Universo al comienzo de su existencia. Surge debido a que el vacío en este momento se encuentra en un estado con una densidad de energía positiva muy alta, excediendo inconmensurablemente su valor mínimo. El vacío con la densidad de energía más baja se llama verdadero, con uno más alto, falso. Cualquier vacío positivo actúa como antigravedad, es decir, hace que el espacio se expanda. Un falso vacío con una densidad de energía extremadamente alta también es extremadamente inestable, se desintegra rápidamente y su energía se gasta en la formación de radiación y partículas calentadas a temperaturas extremadamente altas. Esta desintegración del vacío es lo que se llama Big Bang. Deja un espacio ordinario lleno de materia gravitante, que se expande a un ritmo moderado.
Sin embargo, hay un escenario que supera el callejón sin salida de los infinitos matemáticos. Según este escenario, el Universo surgió de la nada, más precisamente, de un estado donde no hay tiempo, ni espacio, ni materia en el sentido clásico de estos términos. A primera vista, esta idea parece ridícula: ¿cómo puede nada dar lugar a algo? O, pasando de las metáforas a la física, ¿cómo se pueden sortear las leyes fundamentales de conservación? Digamos la ley de conservación de la energía, que se considera absoluta. Las energías de la materia y la radiación son siempre positivas, entonces, ¿cómo podrían surgir de un estado con energía cero?
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Sobre los beneficios del aislamiento
Afortunadamente, esta dificultad se puede resolver por completo; sin embargo, no para ningún universo, sino solo para los cerrados. Se puede demostrar que la energía total de cualquier universo cerrado es exactamente cero. ¿Cómo puede ser esto, si el universo está lleno de materia y radiación? Sin embargo, también existe la energía de la gravedad, que se sabe que es negativa. Resulta que en un universo cerrado, la contribución de energía positiva de las partículas y los campos electromagnéticos se compensa exactamente con la contribución de igual magnitud y de signo opuesto del campo gravitacional, por lo que la energía total es siempre cero. Esta conclusión se aplica no solo a la energía, sino también a la carga eléctrica. En un universo cerrado, cualquier carga positiva está necesariamente acompañada por la misma carga con un signo menos, de modo que la suma total de todas las cargas vuelve a ser cero. Lo mismo puede decirse de otras cantidades físicas que obedecen a estrictas leyes de conservación.
¿Qué se sigue de esto? Si un universo cerrado surge del vacío absoluto, todas las cantidades conservadas son como eran y siguen siendo cero. Resulta que las leyes fundamentales de conservación no prohíben en absoluto ese nacimiento. Ahora recordemos que cualquier proceso mecánico cuántico no prohibido por estas leyes puede ocurrir, incluso con una probabilidad muy baja. Entonces, el nacimiento de un universo cerrado de la nada es, en principio, posible. Así es como la mecánica cuántica se diferencia de la mecánica clásica, donde la propia vacuidad no puede dar lugar a nada.
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Al principio de los tiempos
Se pueden calcular las posibilidades de nacimiento espontáneo de diferentes universos según este escenario: la física tiene un aparato matemático para ello. Es intuitivamente obvio que caen a medida que aumenta el tamaño del universo, y las ecuaciones lo confirman: es más probable que surjan universos liliputienses que universos más grandes. Además, el tamaño del universo está asociado con las propiedades de un falso vacío que lo llena: cuanto mayor es la densidad de su energía, más pequeño es el universo. Entonces, las posibilidades máximas de nacimiento espontáneo se dan a microuniversos cerrados llenos de un vacío de alta energía.
Ahora digamos que la probabilidad funcionó a favor de este escenario y un universo cerrado nació de la nada. El falso vacío crea una gravedad negativa, que obliga al universo recién nacido a expandirse en lugar de contraerse. Como resultado, evolucionará desde el momento inicial que fija su nacimiento espontáneo. Al abordar este momento desde la perspectiva del futuro, no nos topamos con el infinito. Pero la pregunta de qué pasó antes de este momento no tiene sentido, ya que entonces no había ni tiempo ni espacio.
Debe tener un comienzo
Hace varios años, yo, junto con dos coautores, probé un teorema que está directamente relacionado con nuestro problema. Hablando en términos generales, sostiene que cualquier universo que se expande en promedio tiene un comienzo. La aclaración "en promedio" tiene el significado de que en algunas etapas el universo puede contraerse, pero a lo largo de su existencia todavía se está expandiendo principalmente. Y la conclusión sobre la existencia del comienzo significa que este universo tiene historias que, cuando continúan en el pasado, se rompen, sus líneas de mundo tienen ciertos puntos de partida. Por el contrario, cualquier universo que existe eternamente no puede tener tales líneas de mundo, todas sus historias retroceden continuamente hacia el pasado hasta una profundidad infinita. Y dado que los universos que nacen como resultado de procesos inflacionarios satisfacen las condiciones del teorema,deben tener un comienzo.
También puede simular matemáticamente un universo cerrado que estuvo en un estado estático durante un tiempo infinitamente largo y luego comenzó a expandirse. Está claro que nuestro teorema no se aplica a él, porque la tasa promediada en el tiempo de su expansión es cero. Sin embargo, un universo así siempre tendrá la posibilidad de colapsar: esto es requerido por la mecánica cuántica. La probabilidad de colapso puede ser muy pequeña, pero dado que el universo está en un estado estático durante un tiempo infinito, ciertamente sucederá, y tal universo simplemente no sobrevivirá para expandirse. Entonces llegamos nuevamente a la conclusión de que el universo en expansión debe tener un comienzo. Naturalmente, también se aplica a nuestro propio universo.
Alexander Vilenkin, director del Instituto de Cosmología de la Universidad de Tufts, autor de The World of Many Worlds. Físicos en busca de otros universos”.
Entrevistado por: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
