El mayor descubrimiento cosmológico del siglo: ¿qué paso antes del Big Bang?

Al final de una nueva entrevista en un podcast, el brillante estudiante Oem Trivedi, con quien tuve el privilegio de ser coautor de un artículo científico, preguntó: “¿Cuál cree que será la frontera más apasionante de la cosmología dentro de un siglo?” Respondí: "Los estudios experimentales de gravedad cuántica".

Cuando Albert Einstein intentó unificar la gravedad newtoniana con la relatividad especial, se le ocurrió la teoría de la relatividad general en la que la gravedad se manifiesta como la curvatura del espacio-tiempo. Este fue un logro teórico notable. Desafortunadamente, dio la ilusión de que el próximo gran desafío de unificar la relatividad general con la mecánica cuántica también podría lograrse mediante el pensamiento puro. La realidad es diferente. Los teóricos de cuerdas todavía son incapaces de explicar las singularidades del Big Bang o de los agujeros negros.

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La limitación del ingenio humano no carece de precedentes. La mecánica cuántica se descubrió experimentalmente hace un siglo. No se esperaba teóricamente y aún hoy no se comprende del todo a nivel fundamental. Lo mismo puede ocurrir con la gravedad cuántica. Por tanto, es importante buscar un enfoque experimental que nos guíe hacia una teoría única de la gravedad cuántica. ¿Existen entornos adecuados para esta búsqueda?

Según el modelo estándar actual de la física de partículas, cabría esperar que los efectos de la gravedad cuántica aparecieran de forma prominente a la energía de Planck, que es 19 órdenes de magnitud superior a la energía de la masa en reposo del protón. Desgraciadamente, incluso los rayos cósmicos de mayor energía se quedan cortos por un factor de cien millones en relación con la energía de Planck. Las singularidades de los agujeros negros deberían ser sustituidas por otra cosa en la gravedad cuántica, pero acercarse a esa cosa supone un riesgo existencial, ya que los experimentadores quedarían destrozados por la enorme marea gravitatoria que allí se produce.

Por suerte, existen entornos más acogedores. Por ejemplo, los conocimientos sobre la gravedad cuántica pueden estar relacionados con la naturaleza de la energía oscura que provoca la expansión cósmica acelerada. Esta densidad de energía del vacío domina el actual presupuesto de masa cósmica, a pesar de que es 123 órdenes de magnitud menor que la densidad de energía de Planck. Podemos intentar comprender su naturaleza perturbando el vacío cósmico en el laboratorio o midiendo su evolución a lo largo del tiempo cósmico, como lo hacen actualmente los científicos de DESI.

Otro método consiste en detectar el fondo de gravitones cósmicos a una temperatura inferior al grado Kelvin. Este fondo de gravitones constituye un análogo del fondo cósmico de microondas. Mientras que el fondo de fotones térmicos se liberó 400.000 años después del Big Bang, los gravitones se termalizaron en la época de Planck y posteriormente se propagaron libremente. Como sostuve en un estudio de 2022 publicado con Sunny Vagnozzi, la detección de este trasfondo limitaría estrictamente las teorías de la gravedad cuántica y descartaría la inflación cósmica.

En principio, la gravedad modificada a bajas aceleraciones, como MOND, también podría tener sus raíces en la gravedad cuántica. En ese caso, la materia oscura en realidad no existe. Más bien, representa una interpretación errónea de la discrepancia entre la Relatividad General y los datos sobre dinámica a bajas aceleraciones.

Por último, si en el Universo primitivo se produjeron miniagujeros negros con masas similares a las de los asteroides y se descubre uno de ellos en el sistema solar, el estudio experimental de su evaporación de Hawking o de su interacción con la materia que se aproxima podría sondear los efectos de la gravedad cuántica, como he expuesto en un nuevo artículo.

Le aclaré a Oem que estos son solo algunos ejemplos de caminos experimentales de investigación sobre la gravedad cuántica. Otras rutas inesperadas pueden abrirse ante nuevas anomalías en las próximas décadas.

Consideremos, por ejemplo, la astrofísica de ondas gravitacionales. Hasta ahora, las señales detectadas no revelaron nueva física. Sin embargo, futuras observaciones de ondas gravitacionales, como las que se pueden obtener con LIGO-Virgo-KAGRA o LISSA, podría revelar fuentes sorprendentes formadas por la gravedad cuántica. Una de esas fuentes podría ser un agujero blanco, la inversión temporal de un agujero negro, en el que la energía fluye desde las proximidades de una singularidad relativista general. Otro podría ser un agujero de gusano, un puente espacio-temporal que ofrece un atajo entre regiones del espacio muy separadas. Otras huellas de gravedad cuántica podrían implicar viajes más rápidos que la luz o una máquina del tiempo que entregue información de nuestro futuro y viole la conjetura de protección cronológica de Stephen Hawking.

En definitiva, detectar gravitones a partir del tiempo de Planck en la historia cósmica u observar un agujero blanco equivalen a mirar directamente a los ojos a un sistema de gravedad cuántica.

Se puede proporcionar un atajo para descubrir nuevos conocimientos sobre la gravedad cuántica encontrando productos tecnológicos de una civilización extraterrestre avanzada. En ese caso, los fabricantes pueden haberse beneficiado de los conocimientos desarrollados a lo largo de millones de años de su historia de la ciencia y la tecnología. Esto les habría permitido, por ejemplo, emplear la gravedad cuántica para la propulsión de naves espaciales. Aplicar ingeniería inversa a sus dispositivos podría ahorrarnos tiempo a la hora de desarrollar nuestros propios conocimientos de forma independiente.

Con los conocimientos sobre gravedad cuántica de los científicos más inteligentes de nuestro vecindario cósmico, podríamos averiguar qué ocurrió antes del Big Bang. Esto podría proporcionarnos una receta para crear un universo bebé en el laboratorio. Con ello, no solo unificaríamos la mecánica cuántica y la gravedad, sino también la ciencia y la religión.