1.10.10

Teorías


El Big Bang no fue el inicio del universo

Lo prueba un modelo matemático realizado por dos científicos. Uno de ellos fue premiado este año por la Sociedad Internacional para la Relatividad General y la Gravitación.

Diego Oscar Ramos - Espacio

         “Desde que era adolescente me interesaban las preguntas fundamentales de la Física, como ¿De qué está hecha la materia?, ¿Qué son los agujeros negros?, ¿Tuvo el Universo un origen?”, asegura Alejandro Corichi, físico del Quantum Gravity Group de la Universidad Nacional Autónoma de México, galardonado recientemente por con una beca por la Sociedad Internacional para la Relatividad General y la Gravitación, justamente por aportes teóricos actuales tendientes a acercar respuestas precisas a esas preguntas fundamentales. La prestigiosa beca, otorgada a 10 científicos menores de 45 años por “contribuciones significativas a la gravedad cuántica de lazos y su liderazgo en numerosas iniciativas para la comunidad internacional”, nació como estímulo al modelo teórico que el científico mexicano desarrolló en 2008 junto al físico canadiense Parampreet Singh en 2008 para demostrar que en el universo hubo un antes al Big Bang.
         Publicado en la revista Physical Review Letters, el trabajo teórico de Corichi y Singh prueba que antes de la gran explosión aparentemente originaria hubo lo que se llama “un gran rebote”, un ciclo previo del cosmos que se caracterizó por estar en un estado de contracción, contrastante con el del actual de expansión. En ese estado de Big Crunch el universo se iba encogiendo, con una tendencia a desaparecer que no llegó a ese resultado por los efectos cuánticos de la gravitación, que detuvo la contracción y generó una fuerza de repulsión tan intensa que dio lugar a una fase signada por la expansión. En lugar de hablar de un punto cero por la gran explosión, se considera que hubo un gran rebote o big bounce, lo que los investigadores probaron a través de ecuaciones matemáticas.

Orígenes y conflictos

         “Esta investigación está contemplada desde el marco de lo que se conoce como la Gravitación cuántica de lazos o  loop quantum gravity, una de las aproximaciones al problema de la Gravedad Cuántica, el nombre con  el que se conoce al intento por unificar a los dos pilares de la Física Moderna, a saberse, la Relatividad General y la Mecánica Cuántica”, explica el científico de la UNAM, para quien ambas teorías tienen su régimen específico de validez, lo macro y microscópico, aunque son incompatibles entre sí. “La Relatividad General tiene dos problemas fundamentales, no es una teoría cuántica, cuando sabemos que la descripción fundamental del universo tiene que ser cuántica, y predice su propia destrucción,  en las llamadas singularidades en el interior de los agujeros negros y el Big Bang. Y por otro lado, los métodos que han sido muy exitosos dentro de la teoría cuántica para describir a las otras interacciones fundamentales, conocidos como Teoría Cuántica de Campos, no funcionan cuando se intentan aplicar a la Relatividad General”, prosigue con detalles minuciosos el investigador premiado, lanzado a teorizar sobre el punto en el cual se emplaza su trabajo, ni más ni menos que avanzar por los caminos de la integración. Antes de explicar su aporte, continúa con lo previamente existente en su campo: “ La Gravedad Cuántica de Lazos trata de tomar muy en serio las lecciones de la Relatividad General, como lo es que la gravitación es geometría y que el fondo que describe es un ente dinámico. Cuando esta teoría se aplica a modelos cosmológico se conoce como Cosmología cuántica de lazos, una simplificación de la teoría que ve al universo como homogéneo e isotrópico, una buena suposición cuando se le ve a gran escala, que hace que las ecuaciones se simplifiquen mucho”. Por eso, continúa el doctor en Física,  si las ecuaciones de evolución se pueden resolver de manera exacta en el caso clásico, en el cuántico se describe el estado del Universo a través de una función de onda específica, denominada función de onda del universo.
         Ya imbuidos Cosmología Cuántica, “que surge en 2001 con los primeros artículos de Bojowald y toma nuevos bríos en 2006 cuando Ashtekar Singh y Pawlowski (APS) escriben el primer modelo completo, con números concretos para observables como el volumen y la densidad”, Corichi indica como problemático el que la ecuación por la cual se describía la evolución temporal de la función de onda, sólo podía ser resuelta numéricamente. A partir de este trabajo con ecuaciones complejas es que surge el concepto de bounce o rebote. Y aquí es que se monta la contribución teórica del físico mexicano y su colega canadiense. “Primero, mostramos con Ashtekar y Singh, que un modelo muy parecido al de APS, pero físicamente más justificable, podía resolverse de manera exacta, por lo que teníamos una forma de escribir la solución general de la ecuación y conocer su evolución en el tiempo. Podíamos calcular de manera exacta la evolución de ciertos observables y mostramos que el bounce que se observaba en las simulaciones numéricas era totalmente genérico, ocurriendo para cualquier estado inicial que diéramos”, comenta el teórico y agrega: “Mostramos que existe una cota máxima para la densidad de energía, también para todos los estados iniciales posibles, que se observaba en las simulaciones numéricas, pero no se entendía bien y en segundo lugar estudiamos con Singh, el asunto de la semiclasicalidad”.          Para entender este concepto valga decir que una teoría clásica se recupera de una cuántica a través de la existencia en ésta de estados semiclásicos, que siguen la dinámica clásica y permiten que el científico esté seguro de poder describir el sistema cuántico, de forma muy aproximada, a través de la teoría clásica.

Preguntas infinitas

         A partir de comprender este proceso integrador, la pregunta que se hicieron los investigadores fue la siguiente: “Si suponemos que tenemos un estado semiclásico para un instante mucho después del bounce y seguimos la a través de él la evolución temporal de estado, ¿cómo será el estado a un tiempo grande antes del bounce?”. A partir de esta cuestión surgían otros interrogantes: “¿será nuevamente semiclasico?, ¿se perderá esta característica?”. Y aparecían estos supuestos: “Si del otro lado el estado cuántico fuera extremadamente cuántico, no podríamos hablar de un universo como lo conocemos con un concepto bien definido de espacio y tiempo, sería una espuma cuántica o quantum foam”. A partir de aquí, lo que demostraron fue que “el estado tuvo que haber sido también semiclásico en el otro lado del bounce, también había una noción clásica de un universo con las propiedades del universo de este lado”. Para decirlo en otra manera: Ante la pregunta ¿Qué pasó antes del Big Bang?, la respuesta era poderosa: “No hubo Big Bang como lo conocemos, pero hubo unbounce y antes de este el universo se parecía mucho al nuestro, pero en contracción, llegó al régimen en donde los efectos cuánticos dominan y estos causaron que se detuviera y comenzara entonces un periodo de expansión en el que nos encontramos ahora”. Hay, además, una tercera contribución, más matemática, relativa a la consistencia en sí de la Teoría Cuántica. Frente a distintas posibilidades de construcción teórica del modelo, a partir de diferentes escogencias que determinan teorías no equivalentes desde el punto de vista físico, Singh y Corichi propusieron criterios de consistencia matemática y física, demostrando que existe una única elección que es consistente: “la que habían tomado APS en 2006 y también nuestro modelo soluble”.
         Fue a partir de 2006, en su doctorado en la Universidad Estatal de Pennsylavania cuando el físico mexicano de dedicó de lleno a las preguntas que habían signado su pasión por la disciplina. Y, ya trabajando con  Ashtekar y Singh, es que dejó de cuestionarse por lo que pasó antes del universo, un concepto que ahora le parece desprovisto de sentido. “Si el universo tuviera un comienzo como lo sugiere la teoría del Big Bang, sería como preguntar ¿qué hay fuera del universo? o ¿qué hay al norte del Polo Norte sobre la superficie de la tierra? El paradigma que se está desarrollando a partir de nuestras investigaciones es que no hubo un comienzo en un punto de volumen cero/densidad infinita, sino que pudo haber una fase del universo en contracción, un rebote en el que las leyes de la física se siguen valiendo y la evolución está bien definida y en una etapa de expansión”. “Demostramos que el bounce es inevitable y que existe un universo muy parecido al nuestro antes de dicho rebote”, resume el teórico latinoamericano, antes de aceptar que este descubrimiento teórico, de alguna manera, puede estar señalando coincidencias con todo tipo de tradiciones del pensamiento que hablan de un cosmos eterno: “Si el universo solo tuviera esas dos fases, una en contracción y otra en expansión, sería infinito tanto en el pasado como en el futuro, lo  pensaba en cuanto parece establecer una duda fundada en cuanto a que reconozcamos en el Big Bang al inicio del tiempo y el espacio, pero en este nuevo paradigma no hay inicio, tanto el espacio como el tiempo serían infinitos”.
         Será entonces que debemos pensar que el universo en expansión que conocemos está en un camino hacia otro momento de transformación para pasar a otra fase? “Eso es algo que más bien depende de las observaciones que se puedan realizar, ahora lo que se cree es que no solamente está en expansión, sino que está acelerándose y al ente culpable de este comportamiento tan inesperado se le ha bautizado con el nombre poco imaginativo de energía obscura, que si se comprueba que existe y que no tiene propiedades demasiado exóticas, el universo se expandirá para siempre”, contesta rápido Corichi y continúa: “Si fuera más exótico, como ocurriría si hubieracampos fantasmas, trataría de desgarrarse, pero nuevamente entrarían efectos cuánticos a impedir el desgarramiento y generarían unrebote, ahora haciendo que el universo se comenzara a contraer, para así tener un universo cíclico, aunque debo aclarar que esta posibilidad última cabe en el terreno de las especulaciones”. Siguiendo este camino tan humano, podríamos preguntarnos si este modelo pone en crisis la teoría de la relatividad einsteniana y lanza la necesidad de algún tipo de modelo cuántico superador o integrador para comprender realmente la historia del universo. En ese punto, el físico es firme en sus conceptos: “La teoría de la Relatividad General, desde que se formula, tenía incluida la semilla de su propia destrucción,  como decía aproximadamente JA Wheeler, claro que la gente tardó muchos años en entender que ese era el caso, desde los 60's sabemos que es a lo más una muy buena aproximación, en regímenes donde la curvatura es pequeña. Y que, para describir fenómenos extremadamente violentos como el Big Bang, se necesitaría una teoría cuántica. Por otro lado, en el régimen donde debe funcionar, la Relatividad General ha pasado todas las pruebas experimentales de manera sobresaliente, por lo que la confianza en que es la descripción correcta de fenómenos astrofísicos está más fuerte que nunca”.



El recorrido

- El modelo matemático tiene un tiempo de existencia, ¿cómo ha sido la vida de este modelo en cuanto a las reacciones  que ha provocado en sus colegas científicos de distintas universidades y países?
- Desde los resultados del 2008, en varios grupos se ha trabajado para extender los resultados a modelos con diferentes tipos de materia, con menor grado de simetría y se está tratando ahora de tener un formalismo que permita poner a prueba el modelo al incluir de maneraperturbativa algún grado de inhomogeneidades, para poder explicar por ejemplo el patrón observado en la radiación cósmica de fondo. La comunidad externa a la Loop Quantum Cosmology están con un sano escepticismo. Es decir, están esperando a que seamos capaces de tener una predicción experimental para ver si este modelo podrá convertirse en una teoría física que remplace a la del Big Bang.

- ¿Y qué reacciones han tenido de los creadores de la teoría del Big Bounce?
- Como explicaba, hay mucho sentimiento de comunidad entre los diferentes grupos y estamos tratando de entender los aspectos del modelo, siempre construyendo sobre el trabajo de otros colegas.




Café cósmico


- ¿Qué aplicación tiene actualmente el modelo?
- Estamos en la etapa de incluir lo que se conoce como perturbaciones que puedan describir el patrón de la radiación cósmico de fondo. Eso es el gran reto actual.

- ¿Qué sintió en las etapas de consolidación del modelo teórico? ¿Qué hace un científico en esas etapas, con quién comparte esas etapas de logros que pueden haber llevado mucho tiempo de trabajo y mucha etapa de preparación intelectual?
- La manera como trabajamos en general es en equipo, siempre rebotando ideas con los colegas, haciendo cálculos a veces individualmente, a veces en equipo y discutiendo mucho, con mucho café, eso sí.

- Como el universo, ¿el modelo está en etapa de expansión?
- Así es, siempre estamos tratando de entender los alcances de la cosmología cuántica de lazos y de poder hacer modelos cada vez más realistas.

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