Fotografiando el Big Bang (I)

Supongamos que después de habernos tomado un buen café mañanero, nos planteamos lo siguiente: ¿podríamos hacer una foto al Big Bang? Si nos planteásemos esto de verdad, inmediatamente nos asaltarían otras dudas del tipo ¿es esto siquiera posible? Y en caso afirmativo, ¿cómo lo haríamos?, ¿de qué tipo de fotografía se trataría? Para contestar éstas y tantas otras preguntas que nos surgirían en caso de plantearnos semejante reto, deberíamos empezar por aclarar qué significa realmente la noción de “Big Bang”. Resulta que aclarar esto nos lleva a meternos directamente en un berenjenal, no tanto porque sea sutil (desde un punto de vista físico/matemático) definirlo, sino porque ni siquiera hay un consenso claro entre los investigadores que nos dedicamos a estudiar estas cuestiones, sobre qué queremos decir exactamente con el término Big Bang en la evolución del Universo. Déjenme pues aclararles esto primero.

El Big Bang, en castellano la Gran Explosión, se relaciona a menudo en los libros y charlas de divulgación con “el principio del Universo”. Se supone describe algo así cómo el “comienzo de la existencia del Universo”, a partir de un “punto inicial de densidad infinita” del que surgió la materia, el espacio y el tiempo. Fascinante, ¿no? Fascinante sí, pero impreciso también. Resulta que lo que realmente describe la llamada teoría del Big Bang o más concretamente el modelo cosmológico estándar (MCE a partir de ahora), es la evolución del universo después de que éste haya surgido de alguna forma. Es decir, describe la evolución del espacio y el tiempo asumiendo que el universo ya existe conteniendo un cierto tipo de materia ¹. En otras palabras, la teoría del Big Bang o MCE, describe todo sobre el universo, pero no el Bang en sí. Pero entonces ha habido realmente un Bang ¿sí o no? ¿realmente es una predicción asentada científicamente esto del Big Bang? La respuesta es, me temo, no muy satisfactoria, pues la existencia de un gran Bang depende de propiedades del Universo que aun no conocemos ni entendemos. Lo cierto es que no sabemos cómo surgió el Universo, y la creencia popular extendida de que una gran explosión inicial es una predicción firme del MCE, se debe de hecho, a lo siguiente: el MCE predice (y esto sí que ha sido confirmado por observaciones) que el universo es un espacio dinámico que está en expansión. Supongamos que medimos/predecimos el ritmo de expansión del universo en un momento dado. Entonces el MCE es un marco teórico (a día de hoy muy respaldado por observaciones) que predice el ritmo de expansión un tiempo después. Es decir, el MCE predice la evolución del universo, en concreto que el universo ha pasado por etapas a medida que se expandía, y cada una de esas etapas ha tenido unas consecuencias que se han confirmado a través de observaciones cosmológicas muy precisas. De ahí que el MCE se considere un marco muy sólido, ya asentado como parte del conocimiento científico, con el cual explicar la evolución del universo.

Pero si esto es así, si podemos predecir hacia dónde evoluciona el universo ², entonces nada nos impide extrapolar esa evolución hacia atrás en el tiempo. Si el universo se expande a medida que transcurre el tiempo hacia el futuro, eso quiere decir que si nos remontamos al pasado, cuánto más nos remontemos, más contraído tuvo que estar el universo. Que el universo se expanda quiere decir que la distancia relativa entre 2 partículas se hace mayor y mayor a medida que transcurre el tiempo: incluso aunque esas partículas no se muevan en el espacio, el espacio entre ellas crece al transcurrir el tiempo. Por lo tanto, si nos remontamos al pasado del universo, se desprende (necesariamente como consecuencia de la expansión) que debería existir un momento, muy atrás en el tiempo (pero en cualquier caso en un período de tiempo finito), ¡en el que la distancia relativa entre cualesquiera dos puntos del universo debería haber sido cero! De ahí se sigue, además, que la densidad de energía (energía por unidad de volumen) debería haber sido infinita en ese instante. De acuerdo con las observaciones del contenido material energético actual del universo, ese momento inicial debió haber ocurrido hace unos 13.700 millones de años.

Irónicamente, el término “Big Bang” fue acuñado, sin embargo, por el famoso cosmólogo Fred Hoyle en 1949, precisamente para desacreditar burlonamente el marco teórico en el que se sustentaba dicha predicción (y en el que se sustenta el actual MCE). Desde un punto de vista matemático el momento inicial denominado Big Bang no se refiere a una explosión en un espacio existente, si no a la creación misma del Universo a partir de una singularidad. El problema es que, aunque esto fuera así (signifique lo que signifique), eso implica que el universo debería haber existido durante una pequeña fracción de tiempo de duración finita con una densidad de energía superior a la Planckiana ³, lo cual implica que los efectos de gravedad cuántica deberían dominar la dinámica del universo. No tenemos, a día de hoy, una teoría consistente de la gravedad cuántica, y por tanto cualquier conclusión del MCE debería cesar de ser válida si da lugar a un predicción involucrando energías super-Planckianas, pues el propio MCE se asienta de en la física de energías muy por debajo de la Planckiana. En otras palabras, el MCE describe muy bien el universo desde un momento en el cual su densidad de energía fuera sub-Planckiana, pero no es válido extrapolar el modelo a momentos anteriores al tiempo en el cual la energía se volvería del orden de o superior a la Planckiana.

En resumen, decir que la cosmología moderna prediga la existencia de un Big Bang no se sustenta consistentemente en la propia teoría, ya que no podemos considerar válida la descripción del universo que da el MCE a escalas super-Planckianas. Simplemente no sabemos cómo surgió el universo, si es que surgió de verdad por algún mecanismo. Lo que sí sabemos, es que en el momento en que la energía del universo es inferior a la Planckiana, entonces la descripción del universo por la MCE parece ser válida y respaldada por muchas observaciones.

Continuará…

Notas al pie:

1. Mayormente materia del tipo relativista, es decir con mucha más energía cinética que energía contenida en su masa[↩]
2. Dichas predicciones están sujetas a conocer de forma exacta el contenido material energético del universo, cosa que no es el caso, pero ésa es otra cuestión.[↩]
3. La energía de Planck es una escala de energía codificada en la interacción gravitatoria, esto es, si convertimos la constante de Newton, que mide la intensidad de interacción gravitatoria, G = 6.67 x 10^{-11} N m^2/Kg^2, a unidades de energía, nos encontramos con la escala de Planck: G^{-1/2} = Mp = 1.22 x 10^19 GeV.[↩]