El universo tuvo un comienzo. Pero, ¿por dónde empezó? ¿En qué te convertiste al principio? Sabemos que todo comenzó con una expansión bastante rápida y terminó con una gran cantidad de galaxias formadas por pequeñas partículas. Pero, ¿qué vino antes de eso? ¿Cuáles eran las leyes de la física cuando empezó todo? Los famosos físicos James Hartl y Stephen Hawking ofrecieron varias respuestas a estas preguntas hace varias décadas. Un nuevo trabajo de otro grupo de físicos analizó la interpretación popular de Hawking y Hartle de la geometría del Big Bang y tuvo algunos problemas. Estos resultados arrojan luz sobre el problema del comienzo del universo. Un nuevo obstáculo que todas las teorías del futuro deberán superar.
“Intentamos hacer un cálculo más riguroso y obtuvimos una solución diferente”, dice Job Feldbrügge, un estudiante graduado residente en el Perimeter Institute. "La teoría que estamos usando arroja nueva luz sobre la teoría existente y muestra que puede que no funcione como esperábamos".
Los científicos generalmente intentan comprender el comienzo del universo observando las leyes de la gravedad de Einstein, llamadas relatividad general, y reproduciéndolas al revés. Después de todo, quieren llegar al punto donde el universo era muy pequeño. Pero las preguntas más interesantes surgen sobre cómo era el universo joven, si era lo suficientemente pequeño como para obedecer las leyes de la mecánica cuántica, que gobierna las partículas, los átomos y los fotones más pequeños.
Hay varias formas de iniciar un universo como el nuestro. Tal vez, pensaron Hawking y Hartle, este universo condensado era solo un punto en el espacio con un estado cuántico especial, la llamada función de onda, que lo describe todo en el lenguaje de la mecánica cuántica. Entonces llegó el momento. La filosofía y la religión necesitan hablar mucho sobre este tema, pero los matemáticos solo necesitan lápiz y papel. Este universo puntual se desarrolló sobre la base de las matemáticas de la relatividad general con las propiedades originales de la mecánica cuántica integradas en su estructura. Por lo tanto, estas diminutas fluctuaciones aleatorias de energía en el espacio deberían haberse convertido, en el curso de una rápida expansión, la inflación, en diferencias de densidad a gran escala que observamos en el Universo moderno, con galaxias y vacíos. La teoría de Hawking y Hartle fue una de varias formas de marcar el comienzo de un universo sin una singularidad, un punto de volumen cero y masa infinita que no tenía mucho sentido. Otras ideas, como las sugeridas por Alexander Vilenkin, no implicaron esta singularidad inicial.
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Un nuevo artículo que apareció recientemente en el servidor de preimpresión arXiv presenta un problema. En cálculos matemáticos de Hawking, Hartles y Vilenkin, el nuevo equipo no obtuvo las diminutas fluctuaciones cuánticas necesarias para crear el universo actual. En cambio, estas fluctuaciones son gigantescas y crean un universo completamente diferente al nuestro.
“Los cálculos que hemos realizado dan como resultado fuertes ondas gravitacionales después del Big Bang”, dice Feldbrugge: enormes fluctuaciones en la forma del propio espacio-tiempo. “No podría conducir a un universo como es hoy. Los cálculos contradicen lo que vemos.
Hartl no está particularmente preocupado por los resultados del equipo de Feldbrugge. "En cosmología, todavía tenemos muy pocos datos en comparación con lo que podría haber sido", dice. "Así que hacemos todo lo posible para respaldar la teoría que mejor se adapta a nuestras observaciones". Él ve el nuevo trabajo como otro intento de darle la vuelta al juego ofreciendo más información y un camino matemático diferente que los científicos pueden seguir. "Los investigadores tienen derecho a elegir si seguir esta idea u otra".
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Su equipo también publicó recientemente otro artículo revisando sus propias matemáticas y demostrando por qué su teoría todavía funciona.
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Sin embargo, las matemáticas de Feldbrugge y su equipo parecen mostrar que una apariencia suave de un universo sin ninguna singularidad "no es una opción". Sus matemáticas disputan directamente a Hartle y Hawking.
Vincular la mecánica cuántica y la relatividad general para explicar el comienzo del universo no es nuevo ni está casi resuelto. De hecho, este es uno de los principales problemas que los físicos teóricos están tratando de resolver, dada su importancia para comprender el origen del universo, cuando ambos conjuntos de leyes se aplican a la misma escala, y la importancia para los agujeros negros en los que la gravedad es tan fuerte que la luz no puedo dejarla.
Pero lo más importante es que Feldbrugge no cree que un universo que comienza con las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad pueda crear pequeñas fluctuaciones que conducirían a un universo como el nuestro; él cree que debe haber algo más. "No está claro qué solución será la opción final", dice.
Las opiniones de los físicos sobre este tema son muy diferentes. Paul Steinhardt, profesor de física en la Universidad de Princeton, dice que ya existen formas alternativas de evitar problemas en un nuevo trabajo, así como otras quejas sobre el modelo Hawking-Hartle. Este llamado modelo ilimitado requiere algunas soluciones matemáticas para crear un universo como el nuestro.
“¿Cuál es la alternativa? Un rebote sin singularidad”, dice, refiriéndose a un modelo que está desarrollando con la cosmóloga teórica de Princeton Anna Idjas. Según este modelo, el universo colapsa y luego se despliega en nuestro propio universo, mucho antes de que uno pueda comenzar a pensar en los efectos de la mecánica cuántica.
Sabine Hossenfelder, investigadora del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, no está segura de los nuevos resultados. “Lo único que puedo concluir es que no sabíamos cómo comenzó el universo antes de que se escribiera este trabajo. Y no lo sabíamos después de la publicación de este trabajo”. Los teóricos se toman las matemáticas en serio y han estado haciendo estos cálculos con el tiempo y el espacio mucho antes de que los telescopios los confirmen. La única forma de saber con certeza lo que está sucediendo es a través de la experimentación.
Hoy en día, la mayoría de estas teorías pueden ser confirmadas o refutadas por observaciones de la luz más antigua que ha llegado hasta nosotros, el fondo cósmico de microondas. Los científicos esperan que los conocimientos de sus teorías ayuden a aislar firmas importantes de estos datos.
¿Es posible comprobar el trabajo de Feldbrugge y su equipo? Recién están comenzando. Obviamente, tomará mucho tiempo verificarlo. Los científicos necesitan, en última instancia, crear un universo que se parezca al nuestro. Pero los detalles de este proceso aún no se han determinado.
ILYA KHEL
