NeoFronteras

Modelo mejorado explora el estado anterior al Big Bang

Área: Espacio — martes, 3 de julio de 2007

Foto
Estado de universo frente al tiempo (en horizontal). El estado que inicialmente tenía fluctuaciones pequeñas (izquierda) rebota y desarrolla grandes fluctuaciones (derecha). Foto: Martin Bojowald.

Según un modelo matemático es posible, gracias a la teoría de gravedad cuántica de lazos, estudiar qué es lo que pasó antes del Big Bang.
El Big Bang es un momento único en la historia del Universo, las condiciones físicas fueron extremas y no han vuelto a darse jamás desde entonces. En Cosmología se usa la Teoría General de la Relatividad que describe la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo y permite estudiar la evolución del Universo. Esta teoría describe el momento cero del Big Bang como un punto de dimensión nula, una singularidad en la que diversas magnitudes físicas toman valores infinitos. El inconveniente es que en ese instante no es posible hacer predicciones sobre lo que ocurre.
Cuando se plantea la pregunta de qué es lo que pasó antes del Big Bang la respuesta que se suele dar es que no hubo un antes, y que el tiempo fue creado en ese instante al igual que el espacio. Esto supone que el Big Bang es doblemente singular porque permite, desde el punto de vista filosófico, un acto de creación en el momento cero.
Pero no hay que confundir los modelos de realidad que tenemos con la realidad misma, la Teoría General de la Relatividad es una teoría clásica, es decir, no cuántica, y antes de llegar a la singularidad (incluso hay modelos clásicos que evitan la singularidad) las condiciones de la materia, del espacio y del tiempo son tan extremas que su naturaleza cuántica debe de manifestarse y probablemente se evite la singularidad se dé.
Lo malo es que no tenemos una Teoría Cuántica de la Gravedad establecida. Los físicos están trabajando en ello desde hace tiempo con éxito desigual. De momento hay dos candidatos: las teorías de cuerdas y la teoría de cuántica de lazos o bucles (Loop Quantum Gravity). La primera teoría, pese a que una gran comunidad de físicos teóricos ha dedicado varias décadas a su desarrollo y pese a la gran cobertura mediática, tiene dificultades para elaborar predicciones contrastables empíricamente, aunque en su favor esté su supuesta elegancia.
La segunda teoría ha venido desarrollándose discretamente a los largo de los últimos años por una pequeño grupo de físicos y ya ha aportado predicciones interesantes.
Esta teoría de la gravedad cuántica de lazos pretende combinar la Teoría General de la Relatividad con la Física Cuántica en una nueva teoría. Gracias a esta teoría, aún en desarrollo, se ha podido hacer una descripción matemática que establece la existencia de un universo preexistente que se contrajo hasta producir un Gran Rebote, y permite deducir propiedades del universo primitivo.
La teoría permite ir hacia atrás en el tiempo hasta un estado de universo de alta densidad que no forma una singularidad, describible con ecuaciones válidas y sobre el cual se pueden predecir propiedades. El Gran Rebote abre por tanto una “grieta observacional” en la barrera del Big Bang que nos permite saber más sobre el origen del Universo.
El resultado que describimos hoy representa un paso más en la construcción de una teoría que consiga unificar Relatividad general y Mecánica Cuántica, una meta ansiada por la comunidad científica.
Según esta teoría el espacio-tiempo tiene una geometría “atómica” que es “tejida” a partir de hilos unidimensionales. Esta “tela” puede “rasgarse” bajo las condiciones extremas dominadas por la Física Cuántica que hubo en el Gran Rebote (y que dio a luz nuestro universo en expansión) provocando que la gravedad se vuelva repulsiva. Además predice la existencia de un universo preexistente en contracción antes del Gran Rebote con una geometría del espacio tiempo similar a la que tenemos ahora en el nuestro.
Martin Bojowald de Penn State University acaba ahora de publicar (1 de julio 2007) en Nature Physics un modelo más preciso que usa la teoría cuántica de bucles para estudiar el Big Bang que explica mejor lo que pasó antes del mismo. Según este modelo, al igual que en otros modelos anteriores describibles por la gravedad cuántica de lazos, el Big Bang fue precedido por un gran rebote de un universo preexistente. El colapso total del universo anterior hacia la singularidad fue impedido por las propiedades cuánticas del propio espacio y del rebote surgió lo que llamamos Big Bang y nuestro universo actual.
Bojowald ha podido crear un nuevo modelo matemático que permite obtener nuevos detalles acerca del estado cuántico del universo según éste “viaja” a través del Gran Rebote (Big Bounce). Según este investigador, aunque podamos saber muchas propiedades del universo primitivo, nunca estaremos seguros acerca de todas estas propiedades porque los cálculos revelan la existencia de un “olvido cósmico” resultante de las propiedades cuánticas extremas durante el rebote.
El nuevo modelo matemático explora el Gran Rebote más rigurosamente que hasta ahora, y a partir él Bojowald obtiene soluciones analíticas precisas tras resolver un conjunto de ecuaciones matemáticas, en lugar de echar mano de métodos numéricos. Además, el nuevo modelo es más sencillo y corto que los precedentes al reformular el problema con una descripción matemática distinta, consiguiendo de este modo una buena simplificación. El modelo contiene una propiedad, la de ser integrable, que es perseguida, por deseable, por los físicos teóricos en todos los modelos físicos. Los modelos anteriores eran muy complicados y producían soluciones poco limpias.
Las ecuaciones requieren parámetros que describen el estado de nuestro universo y sus estados precedentes hasta llegar al universo primitivo. Pero el modelo contiene además algunos parámetros libres que todavía no se conocen muy bien, pero que de todos modos son necesarios para describir sus propiedades. Según Bojowald dos de estos parámetros son complementarios: uno es relevante casi exclusivamente antes del Gran Rebote y el otro lo es después. Debido a que estos parámetros libres no tienen influencia en los cálculos de nuestro actual universo, este investigador concluye que no pueden ser usados como herramienta para el retrocálculo de su valor en el universo primitivo antes del Gran Rebote.
Dos de esos parámetros libres son complementarios y representan la incertidumbre en el volumen total de universo antes y después del Big Bang. Estas incertidumbres son parámetros adicionales que se dan cuando se pone el sistema en un contexto cuántico, como debe de ocurrir en cualquier teoría cuántica de la gravedad que se precie. Es similar a las relaciones de incertidumbre de la mecánica cuántica habitual cuando no se pueden medir simultáneamente dos magnitudes físicas como el momento (producto de la masa por la velocidad) y la posición.
De este modo hay factores de incertidumbre para el volumen de universo antes y después del Gran Rebote. En palabras de Bojowald, “para todos los propósitos prácticos, el factor preciso de incertidumbre para el volumen de universo previo nunca será determinado por el procedimiento de cálculo hacia atrás a partir de las condiciones de nuestro actual universo, incluso con las medidas más precisas con las que podamos contar jamás”. Este resultado implica limitaciones a la hora de descubrir si el universo anterior al Gran Rebote estaba dominado por propiedades clásicas o cuánticas.
El problema en modelos previos es que no se veía claramente qué eran esos parámetros y su influencia, mientras que este nuevo modelo proporciona una expresión mejorada que contiene todos los parámetros libres y en donde se puede ver la influencia de unos sobre los otros.
Además, y como conclusión adicional, después de haber encontrado que al menos uno de los parámetros no sobrevivió al Gran Rebote y por tanto que el universo previo y el posterior no son réplicas uno del otro, Bojowald afirma que la recurrencia eterna de universos idénticos se evita por la aparente existencia de un olvido cósmico intrínseco.
En resumidas cuentas, podemos contestar a la pregunta de qué hubo antes del Big Bang a costa de asumir un pasado infinito (cosa difícil de imaginar) y de introducir incertidumbres que nos impiden conocer totalmente el estado del universo previo.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa de Penn State.
Resumen del artículo original de Bojowald.
Modelo anterior descrito en NeoFronteras.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
Compartir »

15 Comentarios

  1. emilio:

    ¿Cómo podemos asegurar que no hay más universos?
    Si aceptamos que de la nada (cero dimension, cero materia, cero tiempo…) puede salir un universo que se expande pero que no ocupa esa nada, y ya que la nada debe seguir “existiendo” la posibilidad de que en otra ¿dimensión? ¿”lugar”? (no creo que se sepa como llamarle) exista otro universo podría ser ¿infinita? Es decir, que puede que antes de nuestro Big Bang, podría haber habido otros.
    Y yo me pregunto: ¿de donde viene tanta materiao tanta energía?
    En fin, espero que teoricen hasta encontrar algo. Y que alguien de una vez explique cómo es posible que la información cuántica del giro de spin se transmita instantaneamente de una partícula a otra.
    Ciertamente, deberíamos vivir más tiempo para “comprender” lo que no sabemos, y vivir eternamente para lo que hay que saber.

    Suerte.

  2. NeoFronteras:

    Con eso de los otros univeros hay un problema. Por definición al ser otro universo no hay posibilidad de hacer un experimento con él y por tanto todo lo que digamos no es científico. De ese modo creamos una pseudoreligión paracientífica o algo similar.
    Por otro lado si tenemos acceso a esos universos y podemos medir y experimentar por definición pertenecen a nuestro universo, ya que todo ente material que existe pertenece al universo como un todo.

    En cuanto al tema de la famosa paradoja EPR de los spines que menciona, sólo hay paradoja si se quiere ver. No hay transmisión de información instantánea. Es como escribir dos cartas con el mismo contenido a los individuos A y B. Cada uno de ellos sabe lo que ha recibido el otro, pero de ninguna forma sirve para que A transmita información a B o viceversa.

  3. joan:

    Un artículo muy interesante. Gracias como siempre, por su labor. Soy un ignorante de la cosmología.
    ¿Me podrían aclarar si este modelo de gravedad cuántica en bucle, y el consiguiente Gran Rebote, no confirman el modelo oscilatorio de universo? Por lo que he entendido, este modelo vendría a explicar que en el universo se suceden estados de contracción y expansión, los llamados Big Crunch y Big Bang.

    Muchas gracias por su atención.

  4. emilio:

    Hola,
    No estoy seguro, pero creo que no hace mucho tiempo se negaba la posibilidad de conocer nada que “existiese” antes del big ban (t=0) y ahora estamos en ello.
    La posibilidad de teorizar sobre otros universos no creo que pertenezca a seudociencias o paraciencias, de hecho hay científicos que postulan sobre la existencia o, mejor dicho, de la probabilidad de existencia.
    No me refiero a ver si hay extraterrestres allí, sólo que parece que estamos en esos tiempos de cambio similares a los de cuando Colón/Copérnico eran tildados de locos o herejes por decir que la Tierra es redonda o no es el centro del universo. De repente se empieza a hablar de que quizás no estemos solos, sino que puede que no haya límite para el número de universos.

    Un saludo.

    PD:
    ¿A nadie más le interesa esta noticia? Me sorprende que no haya más comentarios… en fin.

  5. NeoFronteras:

    Estimado joan:
    Este modelo no está relacionado con los modelos cíclicos del pasado, aunque compartan la idea del rebote.
    Lo importante es que esta teoría elimina la singularidad y propone un pasado infinito. Además, este resultado concreto, deduce que el Universo olvida su pasado anterior al rebote.

    Actualmente se cree que el Universo actual de expandirá por siempre cada vez más rápido hasta que se diluya en la nada.

  6. NeoFronteras:

    Estimado Emilio:

    Hay que tener cuidado con estas teorías. Tanto la teoría cuántica de lazos, como la de supercuerdas no tiene, de momento, pruebas experimentales que las respalden. Son propuestas que los físicos teóricos hacen, apuestas sobre la naturaleza de la realidad. No hay que tomarlas como “verdaderas”.
    Muchos modelos han propuesto la existencia de universos paralelos, pero todos adolecen de un problema: son indemostrables científicamente. Si se tiene acceso experimental a ellos entonces dejan de ser “otros universos” para pasar a formar parte del Universo, por definición.
    La ciencia proporciona la mejor explicación que se tiene en un momento dado en virtud de los datos experimentales que se tengan. No hay dogmas.
    De momento la respuesta más acertada a la pregunta de qué hubo antes del Big Bang es decir que no hubo un antes. Pero esto puede cambiar.
    Se diseñan modelos de realidad que son válidos para una gama de fenómenos dados y que son reemplazados por otros mejores. Naturalmente hay cierto conservadurismo, y si no hay pruebas no se aceptan los modelos nuevos. Cuando éstas aparecen se cambia de paradigma.
    No puede reprochar a la comunidad científica de ser dogmática y de cambiar de idea a la vez, cuando lo que pasa es que simplemente es sensata, maravillosamente sensata en un mundo lleno de irracionalidades.

  7. Carlos:

    Saludos cordiales. Desconozco la paradoja EPR de los spines. Pero la respuesta de neofronteras no me cuadra. ¿Si A no transmite información a B, entonces como sabe A lo que ha recibido B? También quisiera hacer un comentario sobre la teoría cuántica de lazos. Si se presupone, según el modelo, la existencia de un gran Rebote, ¿cómo puede descartarse la semejanza de este modelo con el modelo oscilatorio? Naturalmente comprendo que no coincidan en el tema de la “memoria” del universo. Pero si hubo un Gran Rebote, es decir, si el universo anterior no se diluyo en la nada, porque éste si lo habría de hacer? Lo lógico es que si hay un rebote, haya una oscilación recurrente del sistema. Felicidades por la página.

  8. NeoFronteras:

    En la analogía de las cartas, A recibe una carta en la que pone que B recibe otra igual en la que pone X y viceversa. Aunque esto se sale del tema.

    Para saber más sobre EPR y similares:

    http://neofronteras.com/?p=475
    http://neofronteras.com/?p=427
    http://neofronteras.com/?p=691
    http://neofronteras.com/?p=859

    En cuanto al universo cíclico y este modelo se diferencian en los mecanismos que permiten el rebote. En los anteriores no se proporcionaba un mecanismo para el rebote, aunque sí para el colapso. Hay que recalcar que los fenómenos cuánticos sólo se manifestaría durante el Big Bang o justo antes si hubo un antes. Una vez el Universo crece estos efectos son irrelevantes. El nuevo modelo no habla de un colapso futuro.

    Lo malo es que ahora se desconoce un mecanismo que detenga la expansión (acelerada) e inicie el colapso al no haber la suficiente materia y por tanto la suficiente gravedad. El nuevo ingrediente que acelera la expansión sería la energía oscura.

  9. NeoFronteras:

    Sólo añadir de nuevo que hay que tomar estos modelos con precaución. Éste en concreto es un modelo extremadamente simplificado de una teoría aún en desarrollo.
    Aunque predice la existencia de un universo previo en contracción la realidad no tuvo por qué ser exactamente así debido a las simplificaciones introducidas. Lo que sí dice (y principal resultado del estudio, ya que el Gran Rebote debido a las propiedades de la teoría cuántica de lazos había sido intruducido con anterioridad) es que en todo caso será muy dificil saberlo a partir de las observaciones de nuestro universo debido a un efecto de “olvido cósmico”.
    Puede que el universo prexistente no fuera tan suave como el nuestro y que en su lugar estuviera lleno de grandes fluctuaciones del propio espacio-tiempo. En ese caso incluso el propio concepto de tiempo tal y como lo conocemos carecería de sentido. Si fue suave o fluctuante quizás nunca lo sabremos debido a este efecto de “olvido cósmico”.
    Quizás sí hubo un antes del Big Bang, pero tal vez no podamos decir mucho de él.

  10. emilio:

    Una pregunta a la audiencia:

    ¿Existe actualmente alguna explicación respecto a la transmisión de información instanea cuántica? No conozco la materia y me gustaría saber si hay algún avance.
    Yo sigo en mi punto de vista: una cosa es la ciencia y otra los científicos.
    Los científicos son humanos y por tanto muchos son dogmáticos e irracionales (si alguien quiere reirse un rato que investigue la historia de la teoría de la deriva de los continentes… No lo podéis creer, es lo más estúpido que ha habido jamás, pero su refutación irracional estuvo presente hasta los años 60/70… del siglo XX).
    La ciencia va por su lado, porque la ciencia es la realidad. Y la realidad ha demostrado que es complicada, de los griegos a Newton hay una vuelta de tuerca. De Newton a Einstein hay un tornillo sin fin.
    Y puede que Einstein sea simplemente un grano de arena ante lo que se avecina.
    O puede que jamás se llegue a avecinar más que las teorías de Einstein.
    Pero igual que el átomo se ha manifestado como un conglomerado de 160 y pico (¿infinito?) de partículas “elementales” cuando hace 40 años era: proton, neutron y electron y para de contar… Debemos ser cautos respecto a lo que puede ser y no puede ser.
    El imposible en ciencia ha demostrado ser el campo de batalla de los genios, mientras los que quedamos en la retaguardia nos dedicamos, como cerdos en el barro a retozar con el Muy Interesante aferrándonos a lo que hace tiempo dejó de ser cierto.

  11. NeoFronteras:

    No existe ningún resultado experimental o teoría científica que afirme que es posible la transmisión de información a velocidad instantánea, sea cuántica o no. Damos este tema por zanjado.

    Por otro lado los científicos efectivamente son personas con sus defectos y virtudes, pero la comunidad científica no es la suma de sus partes.

    Por último el “Muy Interesante” no es una buena fuente de información, aunque tenga una estética lograda que es inversamente proporcional a la información que contiene y directamente proporcional a sus ingresos.

  12. emilio:

    Hola,
    El párrafo del Muy Interesante era una licencia poética irónica, disculpad si no quedaba claro que opino que no es una revista científica vaguardista. Respecto a la transmisión de información cuántica creo que es como lo cuento, si no recuerdo mal este fenómeno existe y es, hasta donde yo se (que es bastante poco) inexplicable “actualmente”.
    Intentaré buscar referencias al respecto y aportároslas. Igualmente si estoy equivocado os haré llegar los resultados.
    Hablo de memoria: había un experimento donde se lanzaban dos particulas en direcciones opuestas y una se interceptaba por algún medio -choque-, incluso estando separadas 11 kilómetros en el acelerador, la otra se “enteraba” de esta interacción variando su spin de giro -creo que era esta propiedad- de manera instantanea, sin retraso alguno medible. Incluso aunque no fuera instantáneo, el fenómeno es inquietante: 11 km hablando de partículas elementales es como si un planeta estalla en la galaxia más lejana que exista y la Tierra comienza a girar en sentido contrario inmediatamente.

    Un saludo.

  13. NeoFronteras:

    Ningún físico teórico le dira que en la EPR hay transmisión instantánea de información. El efecto eso sí es curioso y extraño.
    Por favor lea las referencias propuestas en el comentario número 8. Si desea saber más aquí tiene otra:

    http://en.wikipedia.org/wiki/EPR_paradox

    Como este tema no está relacionado con el post no se admitirán más comentarios al respecto, sobre todo habiendo en esta misma web algunos que sí lo están y que además se han sugerido.

  14. emilio:

    Lamento no poder seguir hablando (y aprendiendo) sobre este tema.
    Creía que en los posts se podía derivar lo suficiente como para aprender -y equivocarse, que es una forma de aprender-, pero por lo que veo se ha zanjado unilateralmente el tema.
    Ok, lo acepto, aunque no lo comparto porque yo pretendo hablar no solo con Neofronteras, si no con otros colisteros, que parecen o bien no estar, o bien no querer estar.
    De todos modos, leyendo sobre la Paradoja EPR, he caído en mi error de léxico: le llamé “transmisión de información”, cuando lo que es es otra cosa, que no deja de ser inquietante por ser instantanea: poder asegurar que si una particula (fotón, por lo que veo generalmente) tiene un spin +, la otra, instantaneamente, podemos asegurar que tiene spin -, aunque estén separados kilómetros. Es decir, que el fenómeno existe y por lo que he podido ver -ya digo que no soy experto- está en estudio.

    Suerte.

  15. NeoFronteras:

    Simplemente es que hay varios post relacionados sobre ese tema, y la EPR no tiene nada que ver con el tema tratado.
    Y sí, parece que al final lo ha entendido, ciertamente el efecto existe y se ha comprobado (y cosas aún más raras), y es inquietante porque no es intuitivo. El mundo cuántico es así de extraño, aunque no es mágico. Se pueden hacer experimentos cuánticos de andar por casa con materiales sencillos. En Scientific American explicaban uno hace un par de meses, supongo que debe de estar a punto de salir en la versión española de la revista.

    Los demás lectores supongo que no quieren, no saben, no pueden hacer aprotaciones o les da igual. Como en esta web la polémica es baja supongo que tampoco se presta a una alta participación, aunque el número de lectores sea bastante elevado. Supongo que sería distinto si un partído político apoyara una teoría y el otro no. Entonces se diría que los otros son unos mentirosos y etc. Gracias Dios, esto no es así.

RSS feed for comments on this post.

Lo sentimos, esta noticia está ya cerrada a comentarios.