¿La teoría última?

En varias oportunidades anteriores hemos señalado que las condiciones iniciales juegan un papel singular en cosmología. Ello ha sido así, porque, en general, las condiciones iniciales y las leyes de la naturaleza constituyen las dos partes esenciales de cualquier estimación física. Las condiciones iniciales muestran la disposición de las fuerzas y las partículas al iniciarse un experimento. Las leyes indican lo que sucede. Por ejemplo, los movimientos de las bolas sobre una mesa de billar dependen tanto de las leyes de la mecánica como de sus posiciones y velocidades iniciales. Aun cuando estas condiciones iniciales deben especificarse al principio de un experimento, también pueden calcularse a partir de sucesos previos. En el caso de las bolas de billar, su disposición inicial es el resultado de una disposición previa, que en último término es el resultado de cómo el taco golpeó la primera bola. De este modo, las condiciones iniciales de un experimento son las condiciones finales de uno previo. Este concepto no sirve para las condiciones iniciales del universo. Por definición, nada existió antes del principio del universo, si es que el universo tuvo en realidad algún principio, de modo que sus condiciones iniciales deben suponerse como un punto de partida, ya que la cosmología no puede predecir nada con respecto al universo, a menos que haga alguna suposición sobre las condiciones iniciales. Sin dicha suposición, lo único que se puede afirmar es que las cosas son como son ahora porque fueron como fueron en una etapa más temprana. Un punto de partida como éste incomoda de sobremanera a los físicos, que desean saber por qué.

Por otra parte, en el mundo todavía persiste la existencia de gente que sostiene que la ciencia debería averiguar sólo con las leyes locales que controla cómo evoluciona el universo en el tiempo. Esa gente considera que las condiciones de frontera para el universo que determinan cómo éste se inició, es un asunto para la metafísica o la religión, más que para la ciencia.

Por otro lado, las propias teorías exitosas de la física dificultan más aún la situación. En efecto, según la relatividad general, debería haber una singularidad en nuestro pasado. En esa singularidad, las ecuaciones de campo no podrían ser definidas. Así, la relatividad general clásica provoca su propio colapso: predice que no puede predecirse el universo. Pero esa conclusión no satisface las inquietudes de la generalidad de la comunidad científica. Si las leyes de la física pudieron quebrantarse al principio del universo, ¿por qué no podrían quebrantarse en cualquier parte? En la teoría cuántica hay un principio que establece que cualquier cosa puede ocurrir si no está absolutamente prohibida. Una vez que se permitiera a las historias singulares tomar parte en la integral de camino, éstas podrían ocurrir en cualquier lugar y la posibilidad de predecir desaparecería por completo. Si las leyes de la física colapsan en las singularidades, podrían colapsar en cualquier parte.

También, podría postularse que las leyes de la física se cumplen en todas partes, incluyendo el inicio del universo. Por ejemplo, se podría predecir que el universo comenzó con una densidad y una temperatura uniformes, y que existía un equilibrio casi perfecto entre la energía gravitacional y la energía cinética de expansión. La pregunta es si estas condiciones iniciales son viables. ¿Son probables o improbables? Tradicionalmente, los argumentos probabilísticos requieren que un experimento se realice en un gran número de sistemas idénticos, o bien que se repita muchas veces en un solo sistema. Pero aquello cómo se podría desarrollar cuando estamos hablando del universo que, por lo menos para la raza humana, es único.

Pero como el problema es más de necesidad que de interés, los físicos trabajan con denuedo para encontrar el camino que los lleve a poder predecir las condiciones iniciales del universo. El modelo estándar del Big Bang, basado en la teoría de la gravedad de Einstein, precisa que el estado del universo antes que se gatillara su existencia fuera de una densidad infinita. Sin embargo, los científicos concuerdan en que este modelo no resulta completo a densidades de materia extremadamente altas. Más aún, han llegado casi al convencimiento que las leyes físicas que gobiernan el universo prescriben en un estado inicial que posteriormente se desarrolla en el tiempo. En la física clásica, solamente si el estado inicial es descrito con precisión entonces su evolución subsecuente será fiable. Lo último, ha llevado a la gran mayoría de los físicos a aceptar la posibilidad de describir la naturaleza mediante probabilidades, no certezas.

En la física cuántica, estimando el estado inicial de un sistema se da la posibilidad de calcular las probabilidades en que estado se encontrarían éstos transcurrido un tiempo desde el inicio. ¿Son aplicables esas leyes de la física cuántica al estudio del universo? La cosmología intenta describir con leyes físicas el comportamiento de la totalidad del cosmos. Por ello, la aplicación de leyes cuánticas en esa labor no soslaya el problema de los datos del inicio ya que igual seguiría persistiendo la interrogante sobre qué estado inicial se aplicarían esas leyes. En la práctica, los cosmólogos tienden a trabajar retrocediendo en el tiempo, a través de las propiedades observadas, para entender en que condiciones se encontraba el universo en sus primeros millones de años de vida. Hasta la fecha, ha sido un procedimiento de buenos resultados. Sin embargo, igual los lleva a la, hasta ahora, insuperable frontera de predecir bajo que leyes de la física se comportaban las condiciones iniciales.

El modelo inflacionario del universo, y que estudiaremos en el capítulo XVI, ha venido siendo aceptado como una explicación para varios problemas que presenta la cosmología estándar. Según ese modelo, la «sopa inicial» de la cual se gatilló el inicio del universo debió haber comportado materia en un estado de alta excitación. Lo anterior, lleva a la pregunta de por qué esa materia estaba en un estado tan excitado. La respuesta de esa interrogante demanda de una teoría que pueda explicar las condiciones iniciales pre-inflacionarias. Hay dos modelos candidatos serios para tal teoría. Uno de ellos es el de la inflación caótica propuesto por Andrèi Linde de la Universidad de Stanford. Según Linde, el universo tuvo un comienzo absolutamente arbitrario. En algunas regiones la materia tendría una mayor energía que en otras, lo que prolongaría el período inflacionario hacia el universo observable. El segundo candidato en la consecución de una teoría de las condiciones iniciales es la «cosmología cuántica», la aplicación de la teoría cuántica al estudio de todo el universo. Ello, podría aparecer como un absurdo, ya que un sistema de la magnitud del universo obedece a las leyes de la física clásicas. La teoría de la relatividad general de Einstein, que se inserta en la física clásica, describe con exactitud la evolución del universo desde la primera fracción de segundo en que éste se inició hasta ahora. Sin embargo, sabemos que la relatividad general es incompatible con los principios de la teoría cuántica y, por ello, no es apropiada para describir procesos físicos que ocurren a escalas de longitudes cortas y de breve tiempo. Para realizar ese tipo de descripción se requiere una teoría de gravedad cuántica.

Los físicos no han escatimado esfuerzos intelectuales para elaborar una teoría completa de la gravedad que incluya la mecánica cuántica, hasta ahora en vano. Los cálculos de cualquier teoría propuesta de la gravedad cuántica no han sido «limpios», ya que arrojan números infinitos. Los físicos no están seguros si el problema es técnico o conceptual. No obstante, incluso prescindiendo de una teoría completa de gravedad cuántica, se puede deducir que los efectos de la mecánica cuántica, habrían sido cruciales durante los primeros 10^-43 segundos del inicio del universo, cuando éste tenía una densidad de 10⁹³ gramos por centímetro cúbico y mayor. (El plomo sólido tiene una densidad de aproximadamente diez gramos por centímetro cúbico.) Este período se denomina la era cuántica o era de Planck, y a su estudio se le llama «cosmología cuántica».

Durante esa era cuántica, el universo en su totalidad habría estado sujeto a grandes incertidumbres y fluctuaciones, en que la materia y la energía aparecían y desaparecían en grandes cantidades desde un vacío. En ese escenario, el concepto de un principio del universo podría no tener un significado bien definido. En todo caso, la densidad del universo durante este período es de tal magnitud que escapa a nuestra comprensión. Para propósitos prácticos, la era cuántica podría considerarse el estado inicial, o principio, del universo. En consecuencia, los procesos cuánticos ocurridos durante este período, cualquiera sea su naturaleza, determinaron las condiciones iniciales del universo.

Texto extraído de Astrocosmo

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