Una incógnita cosmológica ha traído de cabeza a la comunidad científica desde 1917: ¿de qué está hecho el universo?
Para complicar más esta incógnita ya de por sí alucinante, resulta que las teorías con las explicaciones más plausibles se contradicen con nuestras observaciones del universo. Según el folclore científico, Albert Einstein se sentía particularmente responsable de haber introducido este problema, al que, por lo visto, llamaba su “mayor equivocación”.
Básicamente, la novedosa teoría de la relatividad de Einstein no se sostenía si se aplicaba a la descripción del conjunto del universo. La teoría de la relatividad general define la “geometría” del espacio-tiempo como una superficie parecida a un trampolín; los planetas son como bolas pesadas de bolos que distorsionan esa superficie, creando curvas. Si colocáramos una bola menos pesada (como una canica) cerca de una de bolos, se desplazaría rodando a su alrededor, tal como hacen los planetas en órbita. Por tanto, según esta explicación, las órbitas no son producto de la “fuerza” gravitacional, sino de la curvatura del espacio-tiempo.
Este postulado funcionaba si se tenían en cuenta pequeñas regiones del espacio-tiempo. Sin embargo, cuando Einstein lo aplicó al universo en su totalidad, sus predicciones no encajaban. Así que Einstein introdujo la “constante cosmológica”, un valor fijo que representa una especie de antigravedad, antimasa y antienergía que contrarresta los efectos de la gravedad.
Pero cuando los científicos descubrieron que el universo no permanecía estático, sino que estaba en constante expansión, como Einstein suponía, la constante cosmológica se estableció en cero y acabó ignorándose, más o menos. Sin embargo, al descubrirse que la expansión del universo se está acelerando, la comunidad científica no pudo descartar tan fácilmente la propuesta antigravedad de Einstein.
Lo que antes se creía que era espacio vacío debía ahora llenarse con enormes cantidades de misteriosa antienergía que sirviera de sustento para explicar las observaciones de la rápida expansión del universo. Incluso así, las observaciones de este movimiento expansivo sugieren que la energía es entre 60 y 120 órdenes de magnitud inferior a lo que predice la reciente teoría cuántica de campos.
"Lo que antes se creía que era espacio vacío debía ahora llenarse con enormes cantidades de misteriosa antienergía"
Eso significa que, de algún modo, toda esa energía adicional no se está considerando cuando se estudia el universo en conjunto; o bien está oculta o tiene una naturaleza muy distinta a la energía que conocemos.
Hoy, los físicos teóricos tratan de solventar estos misterios examinando la estructura del llamado “espaciotiempo” del universo a una escala lo más reducida posible, y los hallazgos son sorprendentes: puede que el espaciotiempo no sea ese plano-trampolín que imaginaban los científicos, sino una masa caótica y espumosa de burbujas en cuyo interior vivirían y morirían miniuniversos.
Qué es la espuma del espaciotiempo?
En su intento por explicar de qué está compuesto el vacío del universo, a lo largo de la historia los científicos han planteado la posibilidad de que, en efecto, estuviese formado por burbujas.
En 1955, el influyente físico John Wheeler postuló que, a nivel cuántico, el espaciotiempo no es constante, sino “espumoso”, y está compuesto por diminutas burbujas en constante cambio. Respecto a la materia de la que están “hechas” esas burbujas, investigaciones recientes sugieren que se trata, en esencia, de miniuniversos de corta vida que se forman dentro del nuestro.
La teoría de la espuma espaciotemporal cuadra muy bien con la incertidumbre y la indeterminación inherentes al mundo cuántico. La espuma espaciotemporal extiende la incertidumbre cuántica sobre la posición y el momento de las partículas al tejido mismo del universo, de tal modo que su geometría a muy pequeña escala deviene inestable, incoherente y variable.
"El espacio-tiempo parece liso a gran escala; al reducir la distancia, en cambio, vemos que su aspecto es irregular y espumoso"
Wheeler ilustró el concepto de la espuma del espacio-tiempo sirviéndose de la analogía con la superficie del océano, como también explicó el físico Y. Jack, de la Universidad de Carolina del Norte, en un email:
Imagínate que estás sobrevolando el océano en avión. A gran altura, el océano parece liso. Sin embargo, a medida que desciendes, empieza a mostrar sus irregularidades. Cuando estás lo suficientemente cerca de la superficie, aprecias burbujas y espuma. De forma similar, el espacio-tiempo parece liso a gran escala; al reducir la distancia, en cambio, vemos que su aspecto es irregular y espumoso.
El profesor Steven Carlip, de la Universidad de California, Davis, publicó en septiembre una nueva investigación basada en la teoría de la espuma cuántica de Wheeler para demostrar que las burbujas del espacio-tiempo podrían «ocultar» la constante cosmológica a gran escala.
"Existen gran cantidad de propuestas de resolución del problema de la constante cosmológica, y una buena señal para mi investigación es que ninguna de ellas ha sido ampliamente aceptada", señaló Carlip en una entrevista. "Me pareció apropiado buscar un enfoque que fuera menos ad hoc, que pudiera tener su origen en cosas conocidas o que sospechábamos".
La idea es que, en la espuma cuántica, cada punto del espacio-tiempo contiene la ingente cantidad de energía del vacío —el estado de la energía más bajo equivalente al “espacio vacío”— predicha por la teoría cuántica pero se comporta de forma distinta a otros puntos. Existe la misma posibilidad de que, por cada patrón de comportamiento específico que muestre un punto del espacio-tiempo, haya otro que muestre el comportamiento opuesto. Este es el rasgo de la espuma cuántica que “anula” la energía adicional y las expansiones a pequeña escala, lo cual se traduce en la energía reducida que observamos en el universo como un todo.
Para que esto funcione, ha de darse por supuesto que, a nivel cuántico, el tiempo no tiene una “dirección” intrínseca. Dicho de otro modo, no hay “flecha del tiempo”. Según Carlip, esta propuesta no es tan descabellada en el mundo cuántico. “La mayoría de los físicos coincidiría en que, a nivel fundamental, no conocemos la razón de la existencia de una flecha del tiempo”, añadió. “La idea de que, de algún modo, es ‘emergente’ a escalas mayores no es en absoluto nueva”.
"Cada punto del espacio-tiempo es un 'universo microcíclico' que pasa de la singularidad al Big Bang, colapsa, y repite el ciclo incesantemente"
Carlip se refiere a la espuma cuántica como “una estructura microscópica compleja”. Casi podría concebirse como un universo en expansión formado por diminutos universos que se expanden y contraen en cada punto del espacio-tiempo. Carlip cree que, con el tiempo, es posible que las áreas del espacio-tiempo en expansión repliquen esta compleja estructura y se llenen con diminutos universos en cada punto.
Un estudio publicado en agosto de 2019 analiza este supuesto más exhaustivamente. Sus autores, Qingdi Wang y William G. Unruh, de la Universidad de Columbia Británica, señala que todos los puntos del espacio-tiempo pasan por un ciclo de expansión y contracción, como si fueran versiones en miniatura de nuestro universo. Según su teoría, cada punto del espacio-tiempo es un “universo microcíclico” que pasa de la singularidad al Big Bang, colapsa, y repite el ciclo incesantemente.
(VICE España)
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