Cuando se habla del universo, y sobre todo de su origen, hay varias preguntas que salen con frecuencia. ¿Qué había antes del Big Bang? ¿Qué había antes del tiempo? ¿Estaba todo concentrado en un punto? Responder a (casi) todo esto quiero creer que trasciende a interesarse por la física y va más allá, conllevando interesarse por la propia existencia de uno mismo. Es por ello que me parece relevante dedicar una entrada sin tecnicismos matemáticos a comentarlo.
Indico de primeras que en tanto que el tema tiene connotaciones metafísicas a lo largo de la entrada me he dejado llevar por prejuicios personales y por tanto pueden encontrarse textos apoyando cosas que pongo en duda y viceversa.
El tamaño del universo:
Actualmente sabemos que con gran probabilidad el universo es infinito, dado que no hay motivos observacionales para pensar lo contrario. Esto se debe fundamentalmente al conocimiento de que el universo se expande y las bases experimentales de la teoría del Big Bang, particularmente el fondo cósmico de microondas, sumado todo ello al hecho de que el universo no debería tener frontera.
Si el universo tuviese frontera, eso implicaría que podríamos llegar a un punto en el que chocaríamos con una pared invisible que no podríamos atravesar. Tal vez nosotros no por estar muy lejos de ella, pero sí las partículas en su proximidad. Esto en principio es un absurdo teórico que no tendría ninguna justificación. ¿Qué habría más allá de la frontera? Porque si hay algo, aunque sea espacio vacío, sigue siendo universo.
Así pues, o el universo es infinito o, en caso de ser finito, tiene que tener una forma tal que no tenga frontera. ¿Y cómo creamos un volumen finito sin fronteras? Montándolo en una hiperesfera de cuatro dimensiones.
Así pues, lo más lógico a priori es pensar que el universo es infinito.
De hecho los datos indican que, si no lo es, como poco mide unos 90000 millones años luz.
Este tamaño es, en efecto, el de nuestro universo observable. Es decir, la distancia de la que procede la luz más lejana que recibimos, a la cual denominamos fondo cósmico de microondas.
Si todo el universo explotó punto a punto durante el Big Bang emitiendo partículas en todas direcciones, lo primero que recibimos de una región del universo son sus partículas de la gran explosión. Es decir, que dicha radiación reliquia es la primera noticia que tenemos de regiones del universo de las que ahora sabemos por primera vez en la historia (su luz no nos ha podido llegar antes).
Teniendo esto en cuenta, si el universo fuese finito llegaría un momento en el que ya habríamos podido tener contacto con todas sus regiones y dejaríamos de recibir partículas reliquia nuevas. Sin embargo, dado que esto no ha sucedido y seguimos recibiéndolas desde regiones más lejanas, o bien el universo es infinito o bien es más grande que los 90000 millones de años luz mencionados.
¿Cómo puede el universo tener como poco 90000 millones de años luz de tamaño si solo tiene 14000 millones de años de edad? Porque se expande más rápido que la velocidad de la luz. Esto no viola ningún principio fundamental dado que los cuerpos que se alejan tan rápido de nosotros no podemos observarlos.
El Big Bang:
Ahora bien, si las distancias internas del universo han estado aumentando, lo que ahora está muy lejos antes estaba muy junto. ¿Cómo de junto?
Pues obviamente a día de hoy no lo sabemos, pero la física no se atreve a aseverar que todo estaba en un mismo punto. A lo sumo, la física teórica se atreve a hablar del tiempo de Planck, que son 10 elevado a -43 segundos.
A partir de ahí es donde para la física empieza la fiesta y al menos en el presente lo que sucediese antes es metafísica.
El modelo del Big Bang dice que a partir de ese instante (o un poco después en realidad) de elevada temperatura el universo se empezó a expandir debido a una causa desconocida, enfriándose y creando partículas con la energía sobrante que se propagarían desde todos sus puntos en todas direcciones.
Es decir: la energía térmica se convirtió en partículas nuevas conservando la energía.
No obstante, cabe destacar que la energía hasta donde sabemos siempre tiene forma de partícula o partículas microscópicas. Así pues, para ser rigurosos deberíamos decir que las partículas primordiales del universo, que podrían ser las mismas que conocemos hoy o no, dieron lugar a partículas nuevas conservando la energía en todo momento.
¿Por qué las partículas primordiales decidieron hacer eso? Ni idea. Tal vez la respuesta correcta sea “porque podían”. Esto se conoce como el problema de las condiciones iniciales del universo.
El problema del horizonte:
A finales de los 60, tras descubrirse en 1965 la radiación de fondo cósmico y que esta tenía la misma temperatura viniese de donde viniese, surgió un problema extra: ¿cómo puede la radiación que nos llega desde todas direcciones estar en equilibrio térmico si procede de regiones del universo que nunca han estado en contacto entre ellas? ¿Qué hizo que tuviesen la misma temperatura?
Aquí surgen un montón de propuestas interesantes.
En primer lugar, por ser la más conocida, mencionaremos el campo inflatón, que como la energía oscura es algo que matemáticamente parece que funciona pero que no se sabe lo que es. ¿Y esto qué es?
Pues básicamente, consiste en suponer que inicialmente el universo era muy pequeño y estaba completamente comunicado y en equilibrio térmico, pero que después se empezó a inflar exponencialmente de forma que todas las regiones quedaron descomunicadas entre ellas con la misma temperatura.
Posteriormente, el campo inflatón se apagó “porque sí” y como resultado quedó un universo en expansión, a priori no comunicado internamente y en equilibrio térmico.
Algunas extensiones de esta propuesta, como la original de Hawking y Hartle de principios de los ochenta, proponen que antes de la inflación el universo sería finito y esta lo habría vuelto infinito, pero hasta donde sé eso está abandonado.
El famoso matemático Roger Penrose hizo notar a finales de los ochenta que la inflación complicaba la cuestión desde un punto de vista probabilístico, dado que los estados de poca entropía son muy poco probables y el universo sin campo inflatón era bastante más entrópico que el universo que hubiese necesitado de un campo inflatón. Es decir, que si ya el Big Bang es improbable que se de a partir de todo un abanico de posibilidades, menos probable es que se de un Big Bang con campo inflatón. Ojo que improbable no implica imposible en ningún caso.
En segundo lugar, los modelos de universo cíclico pudieron coger mucha fuerza, ya que si el universo constantemente se estuviese expandiendo y contrayendo el comienzo de la expansión, el Big Bang, explicaría de forma evidente el equilibrio térmico: todas las regiones del universo llevan infinito tiempo existiendo y han tenido tiempo de sobra de ponerse de acuerdo en qué temperatura tener.
En tercer lugar, hay otras teorías según las cuales el universo en sí tiene una edad infinita durante la cual siempre se ha estado expandiendo, no habiendo nada parecido a un Big Bang en ningún momento.
Así que, ¿qué había antes del Big Bang?:
Las opciones sobre la mesa son pocas: un universo en colapso, el mismo universo expandiéndose o partículas primordiales completamente quietas.
En ningún caso parece viable que la respuesta sea “nada” porque implicaría una violación del teorema de conservación de la energía.
Es frecuente escuchar a gente opinar que si todo tiene un origen el universo tuvo que tenerlo también. Sin embargo, en su totalidad obvian el hecho de que aunque todas las cosas cotidianas tuviesen un origen, los componentes que las forman no.
Cuando creamos una televisión los materiales no salen de un portal mágico: ya estaban ahí. Cuando se crea un planeta o una estrella sucede lo mismo, y esto es extensible al supuesto origen del universo.
En el Big Bang tenemos algo que comienza a explotar o sigue expandiéndose, pero no la creación de ese algo.
Sin embargo, me consta que resulta complejo para muchas personas hacerse a la idea de que igual que el espacio puede ser infinito, también lo puede ser el tiempo. De hecho a los defensores del universo finito les cuesta hasta hacerse a la idea de lo primero.
Pero si eres parte de los que el infinito les desagrada, puedes invertir la pregunta. ¿Te desagrada más o menos que la idea de que vivimos en una hiperesfera de cuatro dimensiones para que el universo sea finito? ¿Te desagrada más o menos que la idea de que hubo un origen abrupto donde la conservación de la energía no se verificó?
Aquí he de recapitular: no sabemos si el universo es infinito en espacio y tiempo, pero sí que parece que todo apunta que lo primero es cierto y que lo segundo da problemas insalvables.
Dentro del mundo de la física uno podrá encontrar defensores de todas las posturas casi seguro, dado que cuanto más nos alejamos de lo práctico más nos acercamos a la filosofía y es bien sabida la siguiente anécdota:
Simon Singh cuenta en su apasionante ensayo “Los Simpson y las matemáticas” la anécdota atribuida a un vicerrector de una universidad estadounidense que se queja del jefe de su Departamento de Física porque gasta demasiado dinero en laboratorios y equipos. ¿Por qué los físicos no pueden ser como los miembros del Departamento de Matemáticas?, se pregunta el vicerrector. Los matemáticos sólo necesitan dinero para lápices, papel y papeleras. O incluso mejor, sigue preguntándose el vicerrector. ¿Por qué los físicos no pueden ser como los miembros del Departamento de Filosofía? Lo único que necesitan los filósofos es lápiz y papel.
Respecto a qué había antes del tiempo, por otra parte, la pregunta carece de sentido por llevar una paradoja. Si hay un “antes” hay tiempo antes del tiempo, lo cual es contradictorio.
Conclusiones:
Poco sabemos sobre el origen del universo, y de hecho a nada que queramos ponernos críticos podemos decir la barbaridad de que 2500 años después del mundo helénico seguimos más o menos como estábamos con respecto a esa cuestión.
Pero por otra parte también hay que tener en cuenta que es una de las cuestiones más importantes a las que, en caso de ser capaces, podríamos contestar, con lo que es lógico que nos acerquemos a ella a pasos diminutos. Incluso puede que ya tengamos la respuesta y nunca la podamos verificar.
