¿Qué hubo antes del Big Bang?

El big bang es la última frontera. Por mucho que observemos atrás en el tiempo, no conseguimos atisbar qué existió antes de ese momento crucial que dio origen a todo.

Durante una entrevista en el programa Star Talk, que presenta el director del Planetario Hayden de Nueva York, Neil deGrasse Tyson, el físico Stephen Hawking intentó contestar a una pregunta que no parece tener solución: ¿qué hubo antes del big bang? La respuesta de Hawking, que moriría días después, el pasado 14 de marzo, dejó perplejos a los espectadores.

 

La condición de contorno del universo es... que no tiene frontera”. Con ello, Hawking quería decir que no existe nada parecido a un antes previo a la gran explosión que dio el banderazo de salida a nuestro universo.

 

No era la primera vez que echaba mano de esa idea. De hecho, ya la había perfilado en su obra Breve historia del tiempo, de 1988. Irónicamente, no dista mucho de una de las reflexiones del teólogo del siglo IV Agustín de Hipona: “El mundo no es creado en el tiempo, sino con el tiempo”.

 

Hawking llevaba muchos años lidiando con la existencia de unas peculiares zonas donde la física pierde los papeles: las singularidades espaciotemporales. En el caso de un agujero negro, es ese punto matemático situado en el centro donde, teóricamente, se concentra toda la masa de la estrella colapsada de la que surge. Si se trata del universo, es el momento y el lugar en que se produce el big bang. En ambos casos, nos encontramos ante una ruptura de las leyes de la física, algo que a los científicos no les entusiasma precisamente. Es más, que el comienzo de todo lo que existe sea, como a menudo se cita, un punto agudo donde todo lo que vemos está triturado en una bola de energía mucho más pequeña que un átomo y luego estalla, es más un problema que una solución.

 

 

Porque ¿qué había antes de eso?

 

Para Andréi Linde, astrofísico de la Universidad de Stanford (EE. UU.), el hecho de preguntarnos qué hay antes del big bang, que es el principio del tiempo, resulta paradójico. Es aquí donde engarza la propuesta de Hawking: el tiempo, tal como lo conocemos y lo definimos, va perdiendo su significado a media que nos acercamos al momento de la gran explosión. Las piruetas matemáticas del genio británico consiguen evitar ese incómodo punto de partida. Esto es, podemos retrasar todo lo que queramos nuestro reloj, acercándolo al momento del chupinazo inicial, pero jamás lograremos ponerlo a cero. Como él mismo comentaba en Breve historia del tiempo, indagar sobre lo que existía antes del big bang es como pensar en si podemos seguir caminando hacia el sur una vez que hemos llegado al Polo Sur: nada ni nadie puso en marcha el cronómetro, porque nunca se llegó a esa situación.

 

Hawking consiguió así que el mencionado punto agudo se convirtiese en algo más redondeado, pero para ello tuvo que pagar un precio: no hay un comienzo claro, todo queda más difuminado. Si rebobinamos la película del cosmos, la flecha del tiempo se encoge indefinidamente a medida que el universo se hace cada vez más pequeño, pero jamás llega a la posición de salida. Esta es la llamada proposición de la no frontera. En una conferencia sobre esta conjetura, el cosmólogo explicó que los hipotéticos sucesos ocurridos antes del big bang simplemente no están definidos, porque no hay forma de que uno pueda medir lo que tuvo lugar en ellos. Dado que no tienen consecuencias observacionales, podemos quitarlos de la teoría y decir que el tiempo comenzó en el big bang.

 

Limar todas las asperezas matemáticas que acompañan a esta idea le llevó bastante tiempo y la colaboración de otros colegas, entre los que destaca James Hartle, profesor de Física de la Universidad de California, en Santa Bárbara (EE. UU.). Para ello, usaron la teoría general de la relatividad de Einstein. Esta supone que el tejido del espacio-tiempo se deforma en presencia de la masa o la energía –en ciertas situaciones extremas, esto lleva a la singularidad–, con un acercamiento euclídeo –el que todos aprendimos en la escuela, que concibe un universo sin curvatura, totalmente plano– a la gravedad cuántica, la cual rechaza la existencia de la singularidad.

 

Al hacerlo, Hawking y Hartle tuvieron que reemplazar nuestro conocido tiempo real por otro imaginario. Aquí debemos hacer una aclaración: imaginario no implica que sea inventado, sino que se expresa como un número imaginario, cuya unidad es la raíz cuadrada de -1 y se denota con la letra i. Para introducirlo se aplica una técnica matemática llamada rotación de Wick, en honor al físico teórico italiano que la planteó, Gian Carlo Wick. Esta suele utilizarse para encontrar soluciones en el espacio 4D, compuesto por las tres dimensiones espaciales y una temporal, a partir de la solución a un problema similar en el espacio euclídeo, que solo tiene las tres dimensiones espaciales. ¿Difícil de entender? Sin duda. Hawking intentó hacer más comprensible su trabajo en su conferencia El comienzo del tiempo. En ella afirmó que el espacio y el tiempo imaginario son finitos en extensión, pero carecen de límites. Podríamos tomar como ejemplo la superficie terrestre, pero con dos dimensiones más: es finita, pero no tiene límites ni bordes. Y añadió: “Si el espacio y el tiempo imaginario son como la superficie de la Tierra, no habría ninguna singularidad en la cual las leyes de la física se romperían y no habría límites en el espacio-tiempo imaginario. Esta ausencia de límites significa que las leyes de la física determinarían el estado del universo de forma única en ese tiempo imaginario”.

 

Así, Hawking ha conseguido eliminar la singularidad inicial a partir de la que surge todo lo que contiene el cosmos. No tenemos un big bang como tal, sino que el tiempo se va ralentizando a medida que nos acercamos al comienzo de todo: nos aproximamos, pero nunca llegamos.

 

“No hay nada al sur del Polo Sur; no hay nada antes del big bang”, sentencia Hawking. El físico teórico canadiense Don Page lo ha expresado con claridad: “En la formulación de la ausencia de límites de Hartle-Hawking, el universo no tuvo comienzo ni límite, es una totalidad; sencillamente, podría existir por sí mismo”. El cosmos es autocontenido, no sería creado ni destruido, dice Hawking. Solo existiría.

 

Quizá el tiempo imaginario sea el auténtico tiempo real y lo que llamamos tiempo real sea solo un producto de nuestra imaginación. Quizá lo que llamamos tiempo real sea un concepto que hemos inventado para ayudarnos a describir el universo tal como pensamos que es”, afirma Hawking. En esto, sigue las palabras que un día dijera Einstein a uno de sus amigos, el físico George Gamow, padre de la teoría moderna del big bang: “La palabra tiempo no nos la dio el cielo, es una invención del hombre. Si nos causa problemas, es culpa nuestra”.

 

Para la mayoría de los científicos, como Hawking, las leyes de la física no pueden desaparecer ni dejarse de aplicar en ningún momento de la existencia del universo. Esto convierte a la singularidad inicial en la vecina molesta de la cosmología. Podrían asumirla como tal, pero el universo matemático que tanto gusta a los físicos teóricos perdería gran parte de su belleza. Así que la única forma de resolver el apuro es redefinir nuestra percepción de lo que consideramos real.

Si damos por cierta la existencia de un tiempo imaginario como el único verdaderamente con sentido físico, y del cual nuestro bien conocido tiempo real no es más que un corolario, conseguimos describir perfectamente el estado del universo en cualquier momento y eliminar la singularidad inicial, por lo que las leyes de la física funcionan siempre y en cualquier ocasión. Según Hawking, el cosmos en ese tiempo imaginario es un sistema del todo autónomo, no estaría determinado por nada más allá del universo físico que observamos.

 

Por supuesto, esta no es más que una de las explicaciones que los físicos teóricos ofrecen a la pregunta de lo que había antes del big bang. Porque, ya se sabe, cuando no hay forma de comprobar lo que uno afirma, la imaginación es libre. Y no hay mejor lugar para un teórico que un terreno donde pueda retorcer las ecuaciones a su antojo.

 

La entropía del universo

 

Una de las propiedades del universo que más sorprenden a los cosmólogos es que su entropía, una magnitud que mide el nivel de desorden, es muy baja. O sea, que está poco desordenado. Esto, que a la mayoría no nos preocupa lo más mínimo, a los físicos les trae de cabeza. Veámoslo con un ejemplo: imaginemos una bomba llena de arena que explota sobre una superficie vacía. Eso es el big bang. Lo que puede esperarse es que esa arena se esparza más o menos uniformemente y no que empiece a formar castillos de arena. Pues bien, es justo lo que pasa en el universo: en vez de encontrar una distribución más o menos homogénea de energía y materia, nos topamos con estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias... Nadie lo entiende.

 

Pero ¿por qué un universo con baja entropía es algo tan sorprendente? Para comprenderlo debemos fijarnos en una de las leyes fundamentales de la naturaleza: la segunda ley de la termodinámica. Esta afirma que en un sistema aislado la entropía siempre debe aumentar. Y, al menos hasta donde sabemos, nuestro universo es un sistema aislado, lo que implica que en el pasado debió de estar más ordenado que hoy.

 

Pues bien, ese es el problema. Según el físico Sean Carroll, del Instituto Tecnológico de California (EE. UU.), “muchos piensan que el universo primitivo era algo simple y sin rasgos distintivos, pero una vez que piensas en la entropía todo cambia”.

 

Los físicos han propuesto distintas hipótesis para lidiar con este insidioso asunto, como el denominado big bounce o gran rebote, que dice que nuestro universo de baja entropía nació de otro anterior que colapsó a un punto de gravedad infinita para luego producir nuestro propio cosmos, un fenómeno que volvería a producirse una y otra vez. Los cosmólogos Robert Dicke y James Peebles ya jugaron con esta idea en los años 60, pero el planteamiento de los rebotes múltiples, en los que se seguiría un ciclo infinito de colapsos y expansiones, no se tomó en serio hasta los 90. Desde entonces, el mayor inconveniente persiste: en la relatividad general no hay nada que diga que el universo rebotaría si se convirtiera en una singularidad.

 

En 2001, los físicos Justin Khoury, Burt Ovrut, Paul Steinhardt y Neil Turok presentaron una variante que bautizaron como el universo ecpirótico, un nombre que se refiere a una creencia de los antiguos estoicos, cuya doctrina floreció durante el periodo helenístico. Estos pensaban que cada cierto tiempo el mundo desaparece en una gran conflagración –la ecpirosis– para renacer a continuación, en un ciclo de eterno. El universo ecpirótico utiliza uno de los objetos que aparecen en la teoría de cuerdas, las branas.

 

El Bulto

 

Según esta cosmología, nuestro cosmos está confinado en una brana infinita que, a su vez, se encuentra en otro de dimensión superior, conocido como el Bulto. Pero en el Bulto pueden existir otras branas, que interaccionan entre ellas. Es más, de las cuatro fuerzas elementales (gravedad, electromagnética, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil) solo la gravedad es capaz de afectar a otras branas. Pues bien, según explican estos expertos, “el modelo ecpirótico propone que nuestro universo surgió de la colisión de dos mundos tridimensionales –las branas– en un espacio con una dimensión espacial extra”.

 

Esos dos mundos colisionan y se adhieren y la energía liberada se convierte en los quarks, los electrones y los fotones de nuestro universo, que se ven forzados a moverse en las conocidas tres dimensiones. Y adiós a la singularidad inicial. Si esta hipótesis resulta llamativa, no lo es menos la que publicaron Kurt Hinterbichler, Austin Joyce y Justin Khoury en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics en 2012: al igual que les pasa a los osos en invierno, el cosmos pasó tiempo hibernando.

 

Antes de la gran explosión, este se habría mantenido en lo que se llama un estado metaestable, esto es, desde el punto de vista energético se encontraba como una pelota en la cima de una montaña: de allí no se mueve si no se produce una alteración que la haga caer rodando al valle, que es un estado más estable. Y eso es justo lo que sucedió y dio origen al big bang.

 

Esta propuesta nos retrotrae a una similar que el cosmólogo Edward Tryon publicó en diciembre de 1973 en la revista Nature. El título de su artículo lo dice todo: “¿Nació el universo de una fluctuación del vacío?”.

 

Lo que Tryon sugiere es que el cosmos surgió de una fluctuación cuántica que de alguna forma está ahí desde hace miles de millones de años. O lo que es lo mismo, que apareció literalmente de la nada. Ahora bien, ¿eso no viola la primera ley de la termodinámica, que dice que la energía ni se crea ni se destruye?

 

Para Tryon, el universo contiene energía cero, pues toda la que posee en forma de masa-energía se cancela exactamente con la energía gravitacional que provoca, que es por definición negativa. “En el caso de un universo que es aproximadamente uniforme en el espacio, se puede demostrar que esta energía gravitatoria negativa anula exactamente la energía positiva representada por la materia. Así que la energía total del universo es cero”, decía también Hawking. En palabras de Tryon, “si este es el caso, entonces nuestro cosmos pudo aparecer de la nada sin violar ninguna ley de conservación”.

 

Multiverso

 

Hoy, la hipótesis de moda entre los teóricos es la del multiverso. Para el físico Sean Carrollo, “evita los problemas de una entropía decreciente en el tiempo y explica el universo de baja entropía que observamos en la actualidad”. Para comprenderla debemos viajar a la noche del 6 de diciembre de 1979, cuando el cosmólogo Alan Guth, que trabajaba en unas ecuaciones con las que pretendía describir el cosmos, encontró que este se desbocaba. Si al virus de la gripe le pasara lo mismo, en un chascar de dedos se haría mucho más grande que el universo visible actual. Porque a los 10-32 segundos de vida, una cien millonésima de billonésima de billonésima de segundo, el universo había doblado su tamaño ¡casi mil veces! A este proceso de duplicación exponencial Guth lo llamó inflación. A partir de esta idea, otros cosmólogos, como Andréi Linde, han tirado del hilo. Linde, en concreto, se preguntó por qué solo tuvo que haber una época inflacionaria que afectara a todo el universo. Así nació la llamada inflación eterna o caótica.

 

Linde nos propone que imaginemos un balón de fútbol, con sus hexágonos y pentágonos pintados de blanco y negro. El proceso de inflación afectaría al conjunto de todo el balón, pero de forma diferente en las distintas regiones –los hexágonos y los pentágonos–, que crecen de forma exponencial y sin ningún tipo de conexión con otro polígono. De este modo, todos los que vivan en un pentágono negro creerán que el universo es negro; los que lo hagan en el hexágono blanco creerán que es así.

 

Si trasladamos esta analogía a la cosmología, cada polígono/universo estaría dentro del balón/multiverso y su color serían las leyes físicas que lo gobiernan. Lo que tendríamos es una gran sopa inflacionaria de muchos universos aislados. “Cualquier parte de ese gran universo puede morir, y probablemente morirá, pero el universo en su conjunto es inmortal. Cada burbuja inflacionaria sería un nuevo big bang, un nuevo universo con diferentes características y quizá diferentes dimensiones”, indica Linde. El nuestro sería solo uno de ellos.