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La explicación más fácil del universo: es un reflejo de otro cosmos y el tiempo va al revés
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Ni inflación ni teoría de las cuerdas

La explicación más fácil del universo: es un reflejo de otro cosmos y el tiempo va al revés

Neil Turok, director de la cátedra Higgs de física teórica de la Universidad de Edimburgo, afirma que hay una explicación del cosmos mucho más simple, aunque parezca mucho más complicada en su enunciado

Foto: Ilustración de 'A través del espejo y lo que Alicia encontró allí'. (Inteligencia artificial)
Ilustración de 'A través del espejo y lo que Alicia encontró allí'. (Inteligencia artificial)

Vivimos en una edad de oro para conocer el universo. Nuestros telescopios más potentes han revelado que el cosmos es sorprendentemente simple a gran escala. Asimismo, nuestro "microscopio" más poderoso, el Gran Colisionador de Hadrones, no ha encontrado desviaciones de la física conocida en las escalas más diminutas.

Estos hallazgos no eran lo que la mayoría de los teóricos esperaban. Hoy en día, el enfoque teórico dominante combina la teoría de cuerdas, un poderoso marco matemático sin predicciones físicas satisfactorias hasta la fecha, con la "inflación cósmica". Esta teoría sostiene que, en una etapa muy temprana, el universo se expandió de forma desmesurada. En conjunto, la teoría de cuerdas y la inflación predicen que el universo debería ser increíblemente complejo a escala reducida y completamente caótico a escala amplia.

La naturaleza de esta complejidad podría adoptar una variedad desconcertante de formas. Basándose en esto, y pese a la ausencia de pruebas observacionales, muchos teóricos promueven la idea de un "multiverso": un cosmos descontrolado e impredecible, compuesto por múltiples universos, cada uno con propiedades y leyes físicas totalmente distintas.

Foto: La primera fotografía bajo el agua del Ghost Shark, uno de los submarinos autónomos más avanzados del mundo.

Hasta ahora, las observaciones indican exactamente lo contrario. ¿Cómo entender esta discrepancia? Una posibilidad es que la simplicidad aparente del universo sea solo un accidente del rango limitado de escalas que podemos explorar hoy, y que cuando los experimentos lleguen a escalas lo suficientemente pequeñas o grandes, la complejidad esperada se revelará.

Otra posibilidad es que el universo sea realmente muy simple y predecible tanto a gran escala como a pequeña escala. Creo que deberíamos tomar esta posibilidad mucho más en serio. Si es cierta, podríamos estar más cerca de lo que imaginamos de entender los enigmas más básicos del universo. Y algunas respuestas podrían ya estar delante de nosotros.

El problema con la teoría de cuerdas y la inflación

La ortodoxia actual es el resultado de décadas de investigación rigurosa por parte de miles de investigadores especializados. Según la teoría de cuerdas, los componentes fundamentales del universo son minúsculos lazos y fragmentos de cuerda subatómica que vibran. Tal y como se entiende actualmente, la teoría solo funciona si existen más dimensiones espaciales de las tres que experimentamos. Por lo tanto, los teóricos de cuerdas suponen que no las detectamos porque son diminutas y están "enrolladas".

Lamentablemente, esto hace que la teoría de cuerdas sea difícil de poner a prueba, ya que existen formas casi inimaginables en las que estas dimensiones adicionales podrían estar enrolladas, cada una con un conjunto distinto de leyes físicas aplicables a las dimensiones grandes.

Por otro lado, la inflación cósmica es un escenario propuesto en la década de 1980 para explicar por qué el universo es tan uniforme y plano en las escalas más amplias que podemos observar. La idea es que el universo, en sus inicios, era pequeño y desigual, pero una expansión extremadamente rápida lo agrandó desmesuradamente, alisándolo y aplanándolo para que fuese consistente con lo que vemos hoy.

La inflación también es popular porque potencialmente explica por qué la densidad de energía en el universo temprano varió ligeramente de un lugar a otro. Esto es importante porque las regiones más densas se derrumbarían bajo su propia gravedad, sembrando la génesis de galaxias.

En las últimas tres décadas, se han medido las variaciones de densidad con mayor precisión, tanto mediante el mapeo de la radiación de fondo cósmico de microondas —la radiación del big bang— como a través del mapeo de la distribución tridimensional de las galaxias.

placeholder Diagrama de la actual teoría inflacionista del universo.
Diagrama de la actual teoría inflacionista del universo.

En la mayoría de los modelos de inflación, la explosión inicial de expansión extrema que alisó y aplanó el universo también generó ondas gravitacionales de gran longitud de onda, es decir, ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo. Estas ondas, si se observasen, serían una prueba irrefutable de que la inflación realmente tuvo lugar. Sin embargo, hasta el momento, las observaciones no han detectado ninguna señal de este tipo. A medida que los experimentos han mejorado, se han descartado cada vez más modelos inflacionarios.

Además, durante la inflación, diferentes regiones del espacio pueden experimentar diferentes grados de expansión. A gran escala, esto produce un multiverso de universos post-inflacionarios, cada uno con propiedades físicas distintas.

El escenario inflacionario se basa en suposiciones sobre las formas de energía presentes y las condiciones iniciales. Aunque estas suposiciones resuelven ciertos enigmas, crean otros. Los teóricos de cuerdas e inflación esperan que, en algún lugar del vasto multiverso inflacionario, exista una región de espacio y tiempo con las propiedades adecuadas para coincidir con el universo que observamos.

Sin embargo, incluso si esto fuera cierto (y no se ha encontrado ningún modelo que lo demuestre), una comparación justa de teorías debería incluir un "factor de Occam", que cuantifique la navaja de Occam y penalice las teorías con muchos parámetros y posibilidades frente a las más simples y predictivas. Ignorar el factor de Occam equivale a asumir que no hay alternativa a la hipótesis compleja y de baja capacidad predictiva, una afirmación que considero tiene poco fundamento.

En las últimas décadas, ha habido muchas oportunidades para que los experimentos y las observaciones revelen señales específicas de la teoría de cuerdas o la inflación. Pero no se ha observado ninguna. Una y otra vez, las observaciones han resultado ser más simples y más mínimas de lo esperado.

Creo que ya es hora de reconocer y aprender de estos fracasos, y comenzar a buscar alternativas mejores de manera seria.

Una alternativa más sencilla

Recientemente, mi colega Latham Boyle y yo hemos intentado construir teorías más sencillas y comprobables que prescinden de la inflación y la teoría de cuerdas. Guiados por las observaciones, hemos intentado abordar algunos de los enigmas cósmicos más profundos con el mínimo de suposiciones teóricas.

Nuestros primeros intentos superaron nuestras expectativas más optimistas. El tiempo dirá si sobreviven a un escrutinio adicional. Sin embargo, el progreso que ya hemos logrado me convence de que, muy probablemente, existen alternativas a la ortodoxia dominante, que se ha convertido en un corsé del que necesitamos liberarnos.

Espero que nuestra experiencia anime a otros, especialmente a los investigadores jóvenes, a explorar enfoques innovadores, guiados firmemente por la simplicidad de las observaciones, y a ser más escépticos ante las ideas preconcebidas de sus mayores. En última instancia, debemos aprender del universo y adaptar nuestras teorías a él, en lugar de hacer lo contrario.

placeholder Una región de formación estelar vista por JWST y el telescopio Chandra con un invitado especial. (Rayos X: NASA/CXO/SAO; Infrarrojos: NASA/ESA/CSA/STScI; Procesamiento de imágenes: NASA/CXC/SAO/L. Frattare/CC;Novaceno)
Una región de formación estelar vista por JWST y el telescopio Chandra con un invitado especial. (Rayos X: NASA/CXO/SAO; Infrarrojos: NASA/ESA/CSA/STScI; Procesamiento de imágenes: NASA/CXC/SAO/L. Frattare/CC;Novaceno)

Boyle y yo comenzamos abordando una de las mayores paradojas de la cosmología. Si retrocedemos en el tiempo desde el universo en expansión, utilizando la teoría de la gravedad de Einstein y las leyes físicas conocidas, el espacio se reduce a un solo punto: la "singularidad inicial".

Al intentar comprender este inicio infinitamente denso y caliente, teóricos como el premio Nobel Roger Penrose señalaron una profunda simetría en las leyes fundamentales que rigen la luz y las partículas sin masa. Esta simetría, llamada "simetría conforme", significa que ni la luz ni las partículas sin masa experimentan realmente la reducción del espacio en el big bang.

Aprovechando esta simetría, se puede seguir la luz y las partículas hasta el origen. Al hacerlo, Boyle y yo descubrimos que podíamos describir la singularidad inicial como un "espejo": un límite que refleja en el tiempo (con el tiempo avanzando en un lado y retrocediendo en el otro).

Imaginar el big bang como un espejo explica de manera ordenada muchas características del universo que, de otro modo, parecerían contradecir las leyes físicas más fundamentales. Por ejemplo, para cada proceso físico, la teoría cuántica permite un proceso "espejo" en el que el espacio se invierte, el tiempo se invierte y cada partícula se reemplaza por su antipartícula (una partícula similar en casi todos los aspectos, pero con carga eléctrica opuesta).

Según esta poderosa simetría, llamada simetría CPT, el proceso "espejo" debería ocurrir exactamente al mismo ritmo que el proceso original. Uno de los enigmas más fundamentales del universo es que parece violar la simetría CPT, ya que el tiempo siempre avanza y hay más partículas que antipartículas.

Nuestra hipótesis del espejo restaura la simetría del universo. Cuando te miras en un espejo, ves tu imagen reflejada: si eres zurdo, la imagen es diestra, y viceversa. La combinación de ti y tu imagen en el espejo es más simétrica que tú sólo.

De manera similar, cuando Boyle y yo extrapolamos nuestro universo hacia el big bang, encontramos su imagen reflejada: un universo anterior al big bang en el que (en relación con nosotros) el tiempo retrocede y las antipartículas superan en número a las partículas. Para que esta imagen sea cierta, no necesitamos que el universo espejo sea real en el sentido clásico (al igual que tu imagen en un espejo no es real). La teoría cuántica, que rige el microcosmos de átomos y partículas, desafía nuestra intuición, por lo que en este punto lo mejor que podemos hacer es considerar el universo espejo como un recurso matemático que asegura que la condición inicial del universo no viole la simetría CPT.

¿Por qué el universo es tan uniforme y espacialmente plano, y no curvado, a las escalas visibles más grandes?

Sorprendentemente, esta nueva imagen nos proporcionó una pista importante sobre la naturaleza de la desconocida sustancia cósmica llamada materia oscura. Los neutrinos son partículas muy ligeras y fantasmales que, por lo general, se mueven cerca de la velocidad de la luz y giran al moverse, como pequeños giros. Si señalas con el pulgar de la mano izquierda en la dirección en la que se mueve el neutrino, los cuatro dedos indican la dirección en la que gira. Los neutrinos ligeros observados se conocen como "neutrinos zurdos".

Los neutrinos "diestros" pesados nunca se han visto directamente, pero su existencia se ha inferido a partir de las propiedades observadas de los neutrinos ligeros y zurdos. Los neutrinos diestros y estables serían el candidato perfecto para la materia oscura, ya que no se acoplan a ninguna de las fuerzas conocidas excepto a la gravedad. Antes de nuestro trabajo, no se sabía cómo podrían haberse producido en el universo temprano y caliente.

Nuestra hipótesis del espejo nos permitió calcular cuántos de estos neutrinos se formarían y demostrar que podrían explicar la materia oscura del cosmos.

Surgió una predicción comprobable: si la materia oscura está compuesta por neutrinos diestros y estables, uno de los tres neutrinos ligeros que conocemos debería ser exactamente sin masa. De manera notable, esta predicción se está comprobando actualmente utilizando observaciones sobre el agrupamiento gravitatorio de la materia hechas mediante estudios a gran escala de galaxias.

La entropía de los universos

Animados por este resultado, nos propusimos abordar otro gran enigma: ¿por qué el universo es tan uniforme y espacialmente plano, y no curvado, a las escalas visibles más grandes? Al fin y al cabo, el escenario de la inflación cósmica fue inventado por los teóricos para resolver este problema.

La entropía es un concepto que cuantifica el número de formas diferentes en que un sistema físico puede organizarse. Por ejemplo, si ponemos algunas moléculas de aire en una caja, las configuraciones más probables son aquellas que maximizan la entropía: con las moléculas más o menos distribuidas uniformemente por el espacio y compartiendo la energía total de manera más o menos equitativa. Este tipo de argumentos se utilizan en la física estadística, el campo que subyace a nuestra comprensión del calor, el trabajo y la termodinámica.

El fallecido físico Stephen Hawking y sus colaboradores generalizaron la física estadística para incluir la gravedad. Utilizando un argumento elegante, calcularon la temperatura y la entropía de los agujeros negros. Con nuestra hipótesis del "espejo", Boyle y yo logramos extender sus argumentos a la cosmología y calcular la entropía de universos completos.

placeholder Puede parecer que el universo está lleno de galaxias pero en realidad es un lugar de una oscuridad estremecedora. (ESA/Hubble & NASA, F. Pacaud, D. Coe)
Puede parecer que el universo está lleno de galaxias pero en realidad es un lugar de una oscuridad estremecedora. (ESA/Hubble & NASA, F. Pacaud, D. Coe)

Para nuestra sorpresa, el universo con la mayor entropía (lo que significa que es el más probable, al igual que los átomos repartidos en la caja) es plano y se expande a un ritmo acelerado, tal como el universo real. Así que los argumentos estadísticos explican por qué el universo es plano, uniforme y tiene una pequeña expansión acelerada positiva, sin necesidad de inflación cósmica.

¿Cómo se habrían generado las variaciones de densidad primordiales que normalmente se atribuyen a la inflación en nuestro universo simétrico de espejo? Recientemente, demostramos que un tipo específico de campo cuántico (un campo de dimensión cero) genera exactamente el tipo de variaciones de densidad que observamos, sin necesidad de inflación. Lo importante es que estas variaciones de densidad no van acompañadas de las ondas gravitacionales de gran longitud de onda que predice la inflación y que no se han observado.

Estos resultados son muy alentadores. Pero se necesita más trabajo para demostrar que nuestra nueva teoría es matemáticamente consistente y físicamente realista.

Incluso si nuestra nueva teoría fracasa, nos ha enseñado una lección valiosa. Es muy probable que existan explicaciones más simples, más poderosas y más comprobables para las propiedades fundamentales del universo que las que ofrece la ortodoxia estándar.

Enfrentándonos a los profundos enigmas de la cosmología, guiados por las observaciones y explorando direcciones que aún no se han investigado, podríamos ser capaces de establecer bases más seguras para la física fundamental y nuestra comprensión del universo.

Vivimos en una edad de oro para conocer el universo. Nuestros telescopios más potentes han revelado que el cosmos es sorprendentemente simple a gran escala. Asimismo, nuestro "microscopio" más poderoso, el Gran Colisionador de Hadrones, no ha encontrado desviaciones de la física conocida en las escalas más diminutas.

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