Si el universo ya es infinito, ¿cómo es posible que esté en expansión?

Cuando horneas pan o una tanda de muffins, colocas la masa en un molde. A medida que la masa se cuece en el horno, se expande en el molde. Las pepitas de chocolate o los arándanos en la masa para muffins se alejan más entre sí a medida que la masa se expande.

La expansión del universo es, en algunos aspectos, similar. Pero esta analogía falla en una cosa: mientras la masa se expande en el molde para hornear, el universo no tiene nada donde expandirse. Simplemente se expande sobre sí mismo.

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Esto puede parecer un rompecabezas, pero el universo se considera todo lo que hay dentro del universo. En el universo en expansión no hay pan. Solo masa. Incluso si hubiera una sartén, sería parte del universo y, por lo tanto, se expandiría con la sartén.

Incluso para mí, una profesora de física y astronomía que ha estudiado el universo durante años, estas ideas son difíciles de comprender. No experimentas nada como esto en tu vida cotidiana. Es como preguntar qué hay más al norte del Polo Norte.

Otra forma de pensar en la expansión del universo es pensar en cómo otras galaxias se están alejando de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Los científicos saben que el universo se está expandiendo porque pueden seguir el movimiento de otras galaxias a medida que se alejan de la nuestra. Definen la expansión utilizando la velocidad a la que otras galaxias se alejan de nosotros. Esta definición les permite imaginar la expansión sin necesidad de algo en lo que expandirse.

El universo en expansión

El universo comenzó con el Big Bang hace 13,8 mil millones de años. El Big Bang describe el origen del universo como una singularidad extremadamente densa y caliente. Este pequeño punto repentinamente pasó por una rápida expansión llamada inflación, donde cada lugar del universo se expandió hacia afuera. Pero el nombre Big Bang es engañoso. No fue una explosión gigante, como sugiere el nombre, sino una época en la que el universo se expandió rápidamente.

Luego, el universo se condensó y enfrió rápidamente, y comenzó a producir materia y luz. Con el tiempo, evolucionó hasta convertirse en lo que hoy conocemos como nuestro universo.

La idea de que nuestro universo no era estático y podía expandirse o contraerse la publicó por primera vez el físico Alexander Friedman en 1922. Confirmó matemáticamente que el universo se está expandiendo.

Si bien Friedman demostró que el universo se estaba expandiendo, al menos en algunos puntos, fue Edwin Hubble quien profundizó en la tasa de expansión. Muchos otros científicos confirmaron que otras galaxias se están alejando de la Vía Láctea, pero en 1929, Hubble publicó su famoso artículo que confirmó que todo el universo se estaba expandiendo y que la velocidad a la que se expande está aumentando.

Este descubrimiento continúa desconcertando a los astrofísicos. ¿Qué fenómeno permite que el universo supere la fuerza de la gravedad manteniéndolo unido y al mismo tiempo se expanda separando los objetos del universo? Y, además, su ritmo de expansión se está acelerando con el tiempo.

Muchos científicos utilizan un elemento visual llamado embudo de expansión para describir cómo se ha acelerado la expansión del universo desde el Big Bang. Imagine un embudo profundo con un ala ancha. El lado izquierdo del embudo (el extremo estrecho) representa el comienzo del universo. A medida que avanza hacia la derecha, avanza en el tiempo. El ensanchamiento del cono representa la expansión del universo.

Los científicos no han podido medir directamente de dónde viene la energía que causa esta expansión acelerada. No han podido detectarlo ni medirlo. Como no pueden ver ni medir directamente este tipo de energía, la llaman energía oscura.

Según los modelos de los investigadores, la energía oscura debe ser la forma de energía más común en el universo y representa aproximadamente 68% de la energía total del universo. La energía de la materia cotidiana, que forma la Tierra, el Sol y todo lo que podemos ver, representa solo alrededor del 5% de toda la energía.

Fuera del embudo de expansión

Entonces, ¿qué hay fuera del embudo de expansión?

Los científicos no tienen evidencia de nada más allá de nuestro universo conocido. Sin embargo, algunos predicen que podría haber múltiples universos. Un modelo que incluya múltiples universos podría solucionar algunos de los problemas que encuentran los científicos con los modelos actuales del cosmos.

Un problema importante con nuestra física actual es que los investigadores no pueden integrar la mecánica cuántica, que describe cómo funciona la física a muy pequeña escala, y la gravedad, que gobierna la física a gran escala.

Las reglas sobre cómo se comporta la materia a pequeña escala dependen de la probabilidad y de cantidades de energía cuantificadas o fijas. A esta escala, los objetos pueden aparecer y desaparecer. La materia puede comportarse como una onda. El mundo cuántico es muy diferente de cómo vemos nosotros el mundo.

A grandes escalas, lo que los físicos llaman mecánica clásica, los objetos se comportan como esperamos que se comporten en el día a día. Los objetos no están cuantificados y pueden tener cantidades continuas de energía. Los objetos no aparecen ni desaparecen.

El mundo cuántico se comporta como un interruptor de luz, donde la energía solo tiene una opción de encendido y apagado. El mundo que vemos y con el que interactuamos se comporta como un regulador de intensidad, lo que permite todos los niveles de energía.

Pero los investigadores se topan con problemas cuando intentan estudiar la gravedad a nivel cuántico. A pequeña escala, los físicos tendrían que asumir que la gravedad está cuantificada. Pero la investigación que muchos de ellos han realizado no apoya esa idea.

Una forma de hacer que estas teorías funcionen juntas es la teoría del multiverso. Hay muchas teorías que van más allá de nuestro universo actual para explicar cómo funcionan juntos la gravedad y el mundo cuántico. Algunas de las principales teorías incluyen teoría de cuerdas, cosmología de branas, teoría de gravedad cuántica de bucles y muchas otras.

En cualquier caso, el universo seguirá expandiéndose y la distancia entre la Vía Láctea y la mayoría de las otras galaxias aumentará con el tiempo.