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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. [1]
Resumen del artículo original de Bojowald. [2]
Modelo anterior descrito en NeoFronteras. [3]