Es la pregunta más fundamental de la cosmología: ¿Cómo empezó el universo?
La pregunta presupone que el universo tuvo un punto de partida real, pero se podría suponer igualmente que el universo siempre fue y siempre será. En ese caso, no habría ningún comienzo, sólo una historia en constante evolución de la que estamos echando un mero vistazo.
«Tenemos muy buenas pruebas de que hubo un Big Bang, por lo que el universo, tal y como lo conocemos, comenzó casi con toda seguridad hace unos 14.000 millones de años. Pero, ¿fue ese el comienzo absoluto o hubo algo antes?», se pregunta Alexander Vilenkin, cosmólogo de la Universidad de Tufts, cerca de Boston. Parece el tipo de pregunta que nunca puede responderse realmente porque cada vez que alguien propone una solución, otro puede seguir haciendo la molesta pregunta: ¿Qué pasó antes de eso?
Pero ahora Vilenkin dice que tiene pruebas convincentes en la mano: El universo tuvo un principio claro, aunque no puede precisar el momento. Después de 35 años de mirar hacia atrás, dice, ha descubierto que antes de nuestro universo no había nada, nada en absoluto, ni siquiera el propio tiempo.
A lo largo de su carrera, incluyendo los más de 20 años que ha dirigido el Instituto de Cosmología de Tufts, Vilenkin ha emitido una serie de ideas salvajes y deslumbrantes, aunque desde fuera no parece ni salvaje ni deslumbrante. El profesor, de 64 años, es un hombre de voz suave, de complexión modesta. Viste con pulcritud, en tonos neutros y discretos que no llaman la atención.
A pesar de sus modales discretos, que rozan la discreción, Vilenkin es una fuerza creativa que ha encontrado continuamente la forma de atravesar la niebla que rodea a algunos de los dilemas más densos imaginables, triunfos que le han hecho ganarse el respeto de los académicos de todo el mundo. «Alex es un pensador muy original y profundo que ha realizado importantes y profundas contribuciones a nuestras nociones sobre la creación del universo», afirma el cosmólogo de Stanford Andrei Linde.
Pero esta brillante carrera podría no haber ocurrido nunca. Nacido en la Unión Soviética en 1949 y criado en la ciudad ucraniana de Kharkiv, Vilenkin se enganchó a la cosmología en el instituto, tras leer sobre el Big Bang en un libro de Sir Arthur Eddington. Esa «obsesión» por los orígenes del universo, dice Vilenkin, «nunca me ha abandonado. Sentí que si podías trabajar en esta cuestión, que puede ser la más intrigante de todas, ¿por qué ibas a elegir trabajar en cualquier otra cosa?»
Cuando era estudiante en la Universidad Nacional de Kharkiv, Vilenkin dice que le aconsejaron «hacer física de verdad» en lugar de dedicarse a su primer amor, la cosmología. Aunque era un estudiante excelente, no pudo acceder a ningún programa de posgrado en física porque, según sospecha, el KGB lo incluyó en una lista negra por negarse a convertirse en informante del gobierno. En su lugar, Vilenkin se vio obligado a aceptar una serie de trabajos mundanos. Durante un tiempo enseñó en escuelas nocturnas para adultos, pero dejó ese puesto porque sus responsabilidades incluían ir a las casas de los ausentes, muchos de los cuales eran alcohólicos, para tratar de arrastrarlos a la escuela, una tarea poco envidiable.
Fue vigilante nocturno durante un año y medio, incluyendo una temporada en el zoológico de Kharkiv. Para proteger a los animales (que a veces eran cazados para alimentarse), le dieron un rifle que no sabía utilizar y que, afortunadamente, nunca tuvo que disparar. Cuando tenía tiempo durante esas largas noches, Vilenkin estudiaba física, una afición que incluía la lectura de las obras recopiladas en cuatro volúmenes de Albert Einstein. Le despidieron de esta tarea cuando alguien decidió -quizá basándose en su elección de material de lectura- que estaba sobrecualificado para la tarea.
Cuando sus perspectivas de empleo eran poco halagüeñas, decidió emigrar a Estados Unidos; pensó que empezaría lavando platos mientras intentaba entrar en el mundo académico. Pero salir de la Unión Soviética requería un elaborado plan: A los judíos como él se les permitía ir a Israel en pequeñas cantidades, determinadas por una cuota, pero primero había que conseguir una invitación de familiares israelíes. Vilenkin no tenía parientes allí, así que se puso en contacto con un amigo que conocía gente en Israel y finalmente encontró a alguien -un desconocido para él- lo suficientemente amable como para escribir una carta en su nombre.
Después de que la carta llegara, esperó un año para obtener un visado, pero le costó mucho. Antes de que Vilenkin y su mujer pudieran marcharse, sus padres tuvieron que dar su consentimiento para el traslado. Por dar su permiso, los padres de su mujer perdieron su trabajo en el laboratorio. Su padre, profesor universitario, también perdió su trabajo más tarde. La parada tradicional de camino a Israel era Viena, pero desde allí Vilenkin, su mujer y su hija de un año se dirigieron a Roma en su lugar, llegando en 1976. Se entrevistaron con el Consulado de Estados Unidos en Roma y, tras tres meses de espera, finalmente se les concedió un visado para Estados Unidos.
De vuelta al Big Bang
En el otoño de 1977, Vilenkin aceptó un puesto postdoctoral en Case Western Reserve, donde debía estudiar las propiedades eléctricas de los metales calentados. Sin embargo, encontró tiempo para teorizar sobre los agujeros negros giratorios y sus misteriosos campos magnéticos. Un año más tarde, tuvo un golpe de suerte cuando Tufts le ofreció un puesto de visitante de un año. Apostó por la cosmología, un área considerada marginal en aquel momento.
Eso cambiaría pronto. A finales de 1979, un postdoctorado de física de Stanford llamado Alan Guth ofreció una explicación de la fuerza explosiva detrás del Big Bang. El salto intelectual de Guth surgió de las teorías de la física de partículas, que sostenían que a energías extremadamente altas -muy superiores a las que podrían alcanzarse en un laboratorio- un estado especial de la materia daría la vuelta a la gravedad, convirtiéndola en una fuerza repulsiva en lugar de atractiva.
Un trozo de espacio que contuviera una pequeña porción de esta materia inusual podría repelerse tan violentamente que literalmente explotaría. Guth sugirió que un tremendo estallido de este tipo desencadenó el Big Bang, ampliando rápidamente el universo hasta duplicar su tamaño al menos 100 veces. Sin embargo, este crecimiento exponencial -llamado inflación cósmica- duró poco, apenas una fracción de segundo, ya que el material repulsivo se descompuso rápidamente, dejando atrás las formas más familiares de materia y energía que llenan el universo hoy en día.
La idea resolvió simultáneamente una serie de enigmas en la cosmología. Explicaba de dónde procedía la «explosión» del Big Bang y cómo el cosmos se hizo tan grande. La rápida inflación en todas las direcciones también explicaba por qué el universo que ahora observamos es tan homogéneo, y por qué la temperatura de la radiación de fondo que queda de esa explosión primordial es uniforme, en cada parte del cielo, a una parte en 100.000. La inflación también revitalizó la cosmología, dando a teóricos como Vilenkin mucho que pensar, y un poco más de respetabilidad para empezar.
La historia interminable
En 1982, un par de años después del avance de Guth, Vilenkin se dio cuenta de algo: El proceso de inflación debía ser eterno, es decir, que una vez iniciado, nunca se detenía del todo. La inflación podría terminar abruptamente en una región del espacio, como la que habitamos, pero continuaría en otros lugares, desencadenando una serie interminable de big bangs. Cada explosión correspondería al nacimiento de un universo «de bolsillo» distinto, que podría imaginarse como una burbuja en expansión, una de las innumerables burbujas que flotan en el «multiverso», como se le llama a veces.
En opinión de Vilenkin, la naturaleza eterna de la inflación se derivaba de dos propiedades contrapuestas del combustible cósmico, el material que repele la gravedad y que provocaba la rápida expansión del universo. Por un lado, el material era inestable, como las sustancias radiactivas, y por tanto estaba condenado a la descomposición. Por otro lado, el material se expandía mucho más rápido de lo que se descomponía, por lo que, aunque la descomposición podría detener la inflación en ciertas regiones, el crecimiento desbocado continuaría en otras.
Como analogía, Vilenkin sugiere una mancha de bacterias que quiere seguir reproduciéndose y creciendo, mientras que los anticuerpos que matan a las bacterias tratan de frenar ese crecimiento. Si las bacterias se reproducen mucho más rápido de lo que son destruidas, se multiplicarán rápidamente y se extenderán aunque su reproducción se vea frustrada en algunos sectores. Se mire como se mire, el resultado neto es que la inflación (o el crecimiento bacteriano) nunca termina en todas partes a la vez y siempre está ocurriendo en alguna parte del multiverso – incluso mientras usted lee esta revista.
Para tener una mejor idea del fenómeno, Vilenkin se asoció en 1986 con un estudiante de posgrado de Tufts, Mukunda Aryal, en una simulación por ordenador que mostraba cómo podría ser un universo eternamente inflado. En su simulación, las regiones que se inflaban, o burbujas, empezaban siendo pequeñas y crecían constantemente, mientras que el espacio entre las burbujas se extendía también. Cada burbuja -que representaba un mini-universo como el nuestro- estaba rodeada por burbujas más pequeñas, que a su vez estaban rodeadas por universos de burbujas aún más pequeñas.
Camino a la eternidad
En el universo burbujeante de Vilenkin, la inflación era, por definición, eterna hacia el futuro. Una vez iniciada, no se detendría. Pero, ¿era también eterna hacia el pasado? ¿Hubo algún momento en el que el universo no se inflara? Y si el universo siempre se estaba inflando, y siempre se estaba expandiendo, ¿implicaría eso que el propio universo era eterno y no tenía principio?
Para abordar esta cuestión, Vilenkin unió fuerzas con Guth y el matemático de la Universidad de Long Island Arvind Borde. Utilizando una prueba matemática, argumentaron que cualquier universo en expansión como el nuestro tenía que tener un principio. El experimento mental que plantearon fue el siguiente: Imagina un universo lleno de partículas. A medida que se expande, la distancia entre las partículas aumenta. De ello se deduce que los observadores esparcidos por este universo en expansión se alejarían unos de otros hasta que, finalmente, ocuparan regiones del espacio muy dispersas. Si usted fuera uno de esos observadores, cuanto más lejos estuviera un objeto de usted, más rápido se alejaría.
Ahora, añada a la mezcla un viajero espacial que se mueve por el espacio a una velocidad fija: pasa por delante de la Tierra a 100.000 kilómetros por segundo. Pero cuando llega a la siguiente galaxia, que se aleja de nosotros a, digamos, 20.000 kilómetros por segundo, parecerá que se mueve sólo a 80.000 kilómetros por segundo para los observadores de allí. A medida que continúe su viaje hacia el exterior, la velocidad del viajero espacial parecerá cada vez más pequeña a los observadores con los que se cruce. Ahora vamos a correr la película hacia atrás. Esta vez, la velocidad del viajero espacial parecerá cada vez más rápida en cada galaxia sucesiva.
Si suponemos que la inflación es eterna en el pasado -que no tuvo principio- el viajero espacial acabará alcanzando y superando la velocidad de la luz. Un cálculo de Borde, Guth y Vilenkin demostró que esto ocurriría en un tiempo finito. Pero según las leyes de la relatividad, es imposible que ningún objeto masivo alcance la velocidad de la luz, y mucho menos que la supere. «Esto no puede ocurrir», dice Vilenkin. «Así que cuando se sigue la historia de este viajero espacial en el tiempo, se encuentra que su historia debe llegar a su fin».
El hecho de que el viaje del viajero hacia atrás en el tiempo llegue a un punto muerto significa que hay un problema, desde un punto de vista lógico, con la suposición de un universo en constante expansión en el que se basa todo este escenario. El universo, en otras palabras, no puede haber estado siempre en expansión. Su expansión debe haber tenido un comienzo, y la inflación -una forma particularmente explosiva de expansión cósmica- debe haber tenido también un comienzo. Según esta lógica, nuestro universo también tuvo un comienzo, ya que fue engendrado por un proceso inflacionario que es eterno en el futuro pero no en el pasado.
Algo de la nada
Un universo con un principio plantea la molesta pregunta: ¿Cómo empezó? La respuesta de Vilenkin no está en absoluto confirmada, y quizá nunca pueda estarlo, pero sigue siendo la mejor solución que ha escuchado hasta ahora: Quizá nuestro fantástico y glorioso universo surgió espontáneamente de la nada. Esta afirmación herética choca con el sentido común, que ciertamente nos falla al hablar del nacimiento del universo, un acontecimiento que se cree que ocurre a energías insondablemente altas. También choca con el filósofo romano Lucrecio, que sostenía hace más de 2.000 años que «nada puede ser creado de la nada.»
Por supuesto, Lucrecio nunca había oído hablar de la mecánica cuántica y la cosmología inflacionaria, campos del siglo XX que refutan su audaz afirmación. «Solemos decir que no se puede crear nada de la nada porque pensamos que violaría la ley de conservación de la energía», un principio sagrado de la física que sostiene que la energía no se puede crear ni destruir, explica Vilenkin. Entonces, ¿cómo se puede crear un universo con materia donde antes no había nada?
«La forma en que el universo sortea ese problema es que la energía gravitatoria es negativa», dice Vilenkin. Eso es una consecuencia del hecho, matemáticamente demostrado, de que la energía de un universo cerrado es cero: La energía de la materia es positiva, la energía de la gravitación es negativa, y siempre suman cero. «Por lo tanto, crear un universo cerrado de la nada no viola ninguna ley de conservación».
Los cálculos de Vilenkin muestran que un universo creado a partir de la nada probablemente sea diminuto, de hecho, mucho, mucho más pequeño que, por ejemplo, un protón. Si este diminuto reino contuviera sólo una pizca de material de gravedad repulsiva, eso sería suficiente para garantizar que se iniciara el imparable proceso de inflación eterna, que daría lugar al universo que habitamos hoy. Si la teoría se mantiene, debemos nuestra existencia al más humilde de los orígenes: la nada misma.
Una virtud de esta imagen, si es correcta, es que la creación espontánea de nuestro universo da un punto de partida definitivo a las cosas. El tiempo comienza en el momento de la creación, poniendo fin a las preguntas potencialmente interminables sobre «qué pasó antes».
Sin embargo, la explicación sigue dejando un enorme misterio sin resolver. Aunque un universo, en el esquema de Vilenkin, puede surgir de la nada en el sentido de que no hay espacio, tiempo o materia, hay algo de antemano: las leyes de la física. Esas leyes gobiernan el momento de creación de algo de la nada que da lugar a nuestro universo, y también gobiernan la inflación eterna, que toma el relevo en el primer nanosegundo de tiempo.
Eso plantea algunas preguntas incómodas: ¿Dónde residían las leyes de la física antes de que existiera un universo al que pudieran aplicarse? ¿Existen independientemente del espacio o del tiempo? «Es un gran misterio el origen de las leyes de la física. Ni siquiera sabemos cómo abordarlo», admite Vilenkin. «Pero antes de que apareciera la inflación, ni siquiera sabíamos cómo abordar las cuestiones que la inflación resolvió más tarde. Así que, quién sabe, tal vez también superemos esta barrera»
En la película de Clint Eastwood Magnum Force, Harry Callahan dice: «Un hombre tiene que conocer sus limitaciones», pero el trabajo de Vilenkin es un testimonio de que se superan los límites tradicionales. Si perseveramos ante el escepticismo y la duda, como suele hacer Vilenkin, es muy posible que surjan ideas interesantes e inesperadas, como un universo surgido de la nada.
Eliminando las lagunas
La laguna #1
Para reforzar su hipótesis, Vilenkin ha estudiado otros universos modelo, eliminando lagunas que contradicen la idea de un debut cósmico claro. En un artículo de 2012 con la estudiante de posgrado de Tufts Audrey Mithani, Vilenkin examinó el universo «cíclico» investigado por los físicos Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y Neil Turok, ahora en el Instituto Perimeter.
En este modelo, no hay ni un único Big Bang ni un único comienzo. En su lugar, el universo pasa continuamente por ciclos oscilantes de expansión, contracción, colapso y nueva expansión. El problema es que el universo cíclico choca con la segunda ley de la termodinámica, que dice que la entropía, o desorden, de un sistema cerrado aumentará inevitablemente con el tiempo.
Si nuestro universo ha estado aquí siempre y ha mantenido un tamaño estable, también habría sucumbido a la segunda ley. El desorden habría aumentado inexorablemente hasta el punto de que el universo sería ahora un borrón sin rasgos. Pero eso no es lo que vemos en absoluto. En cambio, vemos un universo lleno de grandes estructuras cósmicas: galaxias, cúmulos de galaxias, cúmulos de cúmulos llamados supercúmulos y cúmulos de supercúmulos llamados filamentos de galaxias, algunos de estos últimos con una extensión de mil millones de años luz o más.
Por esa razón, Vilenkin descarta la imagen del universo cíclico a menos que uno haga la suposición añadida de que después de cada ciclo de expansión y contracción, el universo termina siendo algo más grande que cuando empezó. La estipulación nos dejaría con otro universo en expansión, lo que significa que el teorema original de Borde-Guth-Vilenkin seguiría siendo aplicable: Un universo en constante expansión debe tener un único comienzo.
Laguna #2
Otra posible laguna es el escenario del «huevo cósmico», un modelo de universo propuesto por el cosmólogo sudafricano George Ellis, entre otros. Según este punto de vista, el universo puede permanecer para siempre en una configuración estable, con un tamaño y un radio fijos, hasta que de repente comienza a expandirse, como un huevo que sale del cascarón tras una fase de incubación excepcionalmente larga.
El problema de esta propuesta, según Vilenkin y Mithani, es que el pequeño universo «estable» no es tan estable después de todo. En algún momento de la larga fase de espera se colapsaría hasta la nada, antes de llegar al periodo de expansión, es decir, si hay que creer en las leyes de la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica, la rama de la física que prevalece para describir cómo funcionan las cosas a escala atómica, está exquisitamente bien probada, y es exquisitamente extraña. La mecánica cuántica sostiene que si existe la más mínima posibilidad de que algo ocurra, por muy absurdo que pueda parecer, esa cosa está asegurada si se espera lo suficiente.
Resulta que las fórmulas de la mecánica cuántica predicen una pequeña (pero no nula) posibilidad de que el universo cósmico de los huevos colapse hasta alcanzar el tamaño cero, momento en el que el antiguo universo desaparecería por completo. Dado un lapso de tiempo infinito, que es lo que exige el escenario del huevo cósmico, dicho colapso sería inevitable -aunque las probabilidades de que ocurra en un momento dado son pequeñas-, lo que implica que el universo no podría haber existido para siempre.
De hecho, dice Vilenkin, entre todas las ideas que hemos pensado hasta ahora para un universo sin principio, ninguna parece funcionar. «Así que la respuesta a la pregunta de si el universo tuvo un principio es que sí, que probablemente lo tuvo».
Este artículo apareció originalmente en la prensa como «Punto de partida».