La era de Planck

Los científicos para lograr conocer la estructura del universo a su escala más grande, deben retroceder en el tiempo, centrando sus teorías en el momento en que todo comenzó. Para ello, como ya lo hemos visto, se han formulado distintas teorías unificadoras de las cuatro fuerzas de la naturaleza, con las cuales se han modelado acontecimiento y condiciones en el universo primitivo casi a todo lo largo del camino hasta el principio. Pero como se supone que debió haber habido un «antes», aparece una barrera que impide ir más allá de una frontera que se halla fijada a los 10^-43 [s] después del Big Bang, un instante conocido como «momento de Planck», en homenaje al físico alemán Max Planck.

Esta barrera existe debido a que antes del momento de Planck, durante el período llamado la «era de Planck o cuántica», se supone que las cuatro fuerza fundamentales conocidas de la naturaleza eran indistinguibles o se hallaban unificadas a todo efecto. Aunque los físicos han diseñado teorías cuánticas que unen tres de las fuerzas, una por una, a través de eras que se remontan al momento de Planck, hasta ahora les ha sido, prácticamente, imposible armonizar las leyes de la teoría cuántica con la gravedad de la relatividad general de Einstein, en un sólo modelo teórico ampliamente convincente y con posibilidades claras de ser contrastado en experimentos de laboratorio y, mucho menos, con observaciones.

Como vimos en el capítulo XII, los trabajos que se han realizado sobre poder construir una teoría cuántica de la gravedad nos llevan a un número sorprendente de implicaciones. Por un lado, sólo se ha podido conceptuar a la gravedad cuántica, siempre y cuando, el universo tenga más de cuatro dimensiones. Además, se llega a considerar que en la era de Planck, tanto el universo como la gravedad pudieron ser una sola cosa compacta estructurada por objetos cuánticos infinitamente diminutos, como los que vimos en las supercuerdas. A esta escala, el mismísimo espaciotiempo estaría sometido a imprescindibles fluctuaciones muy semejantes a las que causan las partículas al nacer y desaparecer de la existencia en el espaciotiempo ordinario. Esta noción ha conducido a los teóricos a describir el universo de la era cuántica como una especie de extremadamente densa y agitada espuma que pudo haber contenido las vibrantes cuerdecillas que propugnan los cosmólogos cuerdistas.

Los físicos especulan que el cosmos ha crecido a desde una «nada» primigenia que al nacer comenzó el principio del tiempo y que, en ese parto, contenía toda la materia y toda la energía (arriba, izquierda). Según los primeros trabajos sobre la teoría cuántica de la gravedad, el propio espaciotiempo varió en su topografía, dependiendo de las dimensiones del universo guagua (bebé). Cuando el universo era del tamaño de un núcleo atómico (dibujo de arriba, a la derecha), las condiciones eran relativamente lisas y uniformes; a los 10^–30 cm (centro) es evidente una cierta granulidad; y a la llamada longitud de Planck, todavía unas 1.000 veces más pequeño (abajo), el espacio tiempo fluctúa violentamente.

Los físicos han intentado con denuedo elaborar una teoría completa de la gravedad que incluya la mecánica cuántica. Los cálculos de la mayoría de las teorías propuesta de la «gravedad cuántica» arrojan numerosos 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 teoría 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, que es el que corresponde a la era de Planck, y a su estudio se le llama cosmología cuántica. Como el universo en su totalidad habría estado sujeto a grandes incertidumbres y fluctuaciones durante la era de Planck o era cuántica, con la materia y la energía apareciendo y desapareciendo de un vacío en grandes cantidades, 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.

El universo estaba a 3.000° K hace doce mil quinientos millones de años; a 10 mil millones de grados (10¹⁰° K) un millón de años antes, y, tal vez, a 10²⁸° K un par de millones más temprano. Pero, y antes de ese tiempo ¿qué pasaba? Los fósiles no faltan, pero no sabemos interpretarlos. Mientras más elevada se va haciendo la temperatura del universo primigenio, la situación se va complicando para los científicos. En la barrera fatídica de los 10³³° K –la temperatura de Planck–, nada funciona. Nuestros actuales conocimientos de la física dejan de ser útiles. El comportamiento de la materia en estas condiciones tan extremas deja de estar a nuestro alcance de juicio. Peor aún, hasta nuestras nociones tradicionales pierden su valor. Es una barrera infranqueable para el saber de la física contemporánea. Por eso, lo que se suele decir cómo era el universo niño en esos tempranos períodos, no deja de tener visos de especulación.

Los progresos que se han obtenido en física teórica se manifiestan a menudo en términos de síntesis de campos diferentes. Varios ejemplos de ello lo encontramos en las secciones del capítulo XII, que hablan de la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

En física se cuentan con dos grandes teorías de éxito: la cuántica y la teoría de la relatividad general.

Cada una de ellas ha demostrado ser muy eficiente en aplicaciones dentro de los límites de su ámbito propio. La teoría cuántica ha otorgado resultados más que satisfactorios en el estudio de las radiaciones, de los átomos y de sus interacciones. La ciencia contemporánea se presenta como un conjunto de teorías de campos, aplicables a tres de las grandes interacciones: electromagnética, nuclear fuerte, nuclear débil. Su poder predictivo es bastante elocuente, pero no universal. Esta teoría es, por ahora, incapaz de describir el comportamiento de partículas inmersas en un campo de gravedad intensa. Ahora, no sabemos si esos fallos se deben a un problema conceptual de fondo o falta de capacidad matemática para encontrar las ecuaciones precisas que permitan la estimación del comportamiento de las partículas en esos ambientes.

La teoría de la relatividad general, a la inversa, describe con gran precisión el efecto de los campos de gravedad sobre el comportamiento de la materia, pero no sabe hacerse cargo de las adquisiciones de la mecánica cuántica. Ignora todo acerca de los campos y de la dualidad onda-partícula, y en ella el «vacío» es verdaderamente vacío, mientras que para la física cuántica hasta la «nada» es «algo»…

Claro está, que esas limitaciones representativas de ambas teorías no suelen tener mucha importancia práctica. Sin embargo, en algunos casos, esas limitantes se hacen sentir con agresividad frustrando a los físicos. Los primeros instantes del universo son el ejemplo más elocuente.

El científico investigador, al requerir estudiar la temperatura de Planck, se encuentra con un cuadro de densidades y gravedades extraordinariamente elevadas. ¿Cómo se comporta la materia en esas condiciones? Ambas teorías, no dicen mucho al respecto, y entran en serias contradicciones e incompatibilidades.

Todo se desenvuelve alrededor de la noción de localización. La teoría cuántica limita nuestra aptitud para asignar a los objetos una posición exacta. A cada partícula le impone un volumen mínimo de localización. La localización de un electrón, por ejemplo, sólo puede definirse alrededor de trescientos fermis (más o menos un centésimo de radio del átomo de hidrógeno). Ahora, si el objeto en cuestión es de una mayor contextura másica, más débiles son la dimensión de este volumen mínimo. Se puede localizar un protón en una esfera de un décimo de fermi, pero no mejor que eso. Para una pelota de ping-pong, la longitud correspondiente sería de unos 10^–15 cm, o sea, bastante insignificante.La física cuántica, a toda partícula de masa m le asigna una longitud de onda Compton: l_c = h / 2p mc

Por su parte, la relatividad general igualmente se focaliza en la problemática del lugar que ocupan los objetos. La gravedad que ejerce un cuerpo sobre sí mismo tiende a confinarlo en un espacio restringido. El caso límite es aquel del agujero negro, que posee un campo de gravedad tan intenso que, salvo la radiación térmica, nada, ni siquiera la luz, puede escapársele. La masa que lo constituye está, según esta teoría, irremediablemente confinada en su interior.

En lo que hemos inmediatamente descrito, es donde se visualizan las diferencias entre esos dos campos del conocimiento. Uno alocaliza, el otro localiza. En general, esta diferencia no presenta problemas: la física cuántica se interesa sobre todo en los microobjetos y la relatividad en los macroobjetos. Cada cual en su terreno.

Sin embargo, ambas teorías tienen una frontera común para entrar en dificultades. Se encuentran objetos teóricos de masa intermedia entre aquella de los microobjetos como los átomos y aquella de los macroobjetos como los astros: las partículas de Planck. Su masa es más o menos la de un grano de sal: 20 microgramos. Equivale a una energía de 10²⁸ eV o, más aún, a una temperatura de 10³³° K. Es la «temperatura de Planck».

Ahora bien, si queremos estimar cuál debería ser el radio en que se debe confinar la masita de sal para que se vuelva un agujero negro, con la relatividad general la respuesta que se logra encontrar es de que sería de 10^–33 cm, o sea ¡una cien mil millonésima de mil millonésima de la dimensión del protón! Esta dimensión lleva el nombre de «radio de Planck». La densidad sería de ¡10⁹⁴ g/cm³! De un objeto así, comprimido en un radio tan, pero tan diminuto, la relatividad general sólo nos señala que tampoco nada puede escapar de ahí. No es mucha la información.

Si recurrimos a la física cuántica para estimar cuál sería el radio mínimo de localización para un objeto semejante al granito de sal, la respuesta que encontramos es de un radio de 10-33 cm. Según esta teoría, en una hipotética experiencia se lo encontrará frecuentemente fuera de ese volumen. ¡Ambos discursos no son coincidentes! Se trata de discrepancias que necesitan ser conciliadas para poder progresar en el conocimiento del universo. ¿Se trata de entrar en procesos de revisión de ambas teoría, o será necesaria una absolutamente nueva? Interrogantes que solamente el devenir de la evolución de la física teórica las podrá responder en el futuro.

¿Qué es lo que hubo antes? La gente no se abstrae de reflexionar sobre una cuestión que le es desconocida, llegando a ser, muchas veces, fuente de fantasmas. Detrás de la frontera de Planck, los teóricos han elaborado escenarios que harían palidecer de envidia a los novelistas de ciencia ficción. He aquí algunos ejemplos.

La física moderna, ha asumido casi como un dogma el adagio «nada se pierde; nada se crea». En cualesquiera de los espacios del cosmos, pares de partículas, de toda masa y de toda especie, emergen para aniquilarse rápidamente. Este aparecer y desaparecer se asemeja a el «zumbido» de los vientos en el vacío. Esta febril actividad cósmica lleva el nombre de «fluctuación del vacío», y se rige por los principios cuánticos.

¿Y si el universo entero resultara de una fluctuación de este tipo? ¿Y si del «vacío primordial» hubiese surgido, hace quince mil millones de años, un cosmos de gran formato en el que galaxias, estrellas y planetas habitados hubiesen podido aparecer? La idea de poder «explicar» la creación del cosmos apela a lo más profundo del ser humano.

La gente ha reflexionado durante muchos siglos sobre esa cuestión. Unos creen que la solución ha de estar fuera del campo de la ciencia; creen que la creación del universo fue un acto divino. Otros rechazan totalmente el planteamiento, sostienen que el universo no empezó nunca, que siempre ha existido: punto de vista expuesto por el modelo de estado estacionario del universo. Pero todos los datos astronómicos apoyan el hecho de que nuestro universo era muy distinto en el pasado remoto y de que tuvo un origen concreto. Es muy posible que el universo sea infinitamente periódico, que tenga un ciclo de expansión, uno de contracción, uno de nueva expansión…pero, según las observaciones actuales, tal periodicidad, si es cierta, no puede demostrarse. Si bien un universo reciclado es una posibilidad, nada nos obliga a aceptarlo y, en aras de la sencillez, suponemos que el origen de nuestro universo es un acontecimiento único.

Si estudiamos el universo ateniéndonos a los modelos cosmológicos habituales, vemos que la temperatura y la densidad de la materia sigue aumentando sin límites a medida que retrocedemos en el tiempo. Luego llegamos a la singularidad estaciotiempo y las leyes física pierden sentido. De ahí, que se pueden decir muchas cosas sobre cómo pudo haber surgido nuestro universo. Sin embargo, cualesquiera de las ideas que se pueden esgrimir como posibles deben guardar en consideración las desigualdades de Heisenberg que especifican las condiciones de los «préstamos» de energía. Mientras más importantes son las sumas, más rápido debe ser el reembolso. Para el universo observable, la duración permitida no se cifraría en mil millones de años, sino en una ínfima fracción de segundo…

Para a cometer con esa condición, los científicos han recurrido a su habitual astucia y para cumplir con ese requisito, han considerado todas las formas de energía. Las masas se contabilizan como energías positivas (E = mc²), pero la energía de gravitación tiene un signo negativo. En un universo que tendría exactamente la densidad crítica, la suma de energías positivas sería numéricamente igual a la energía de gravedad. La energía total sería nula. ¡El universo podría emerger del vacío sin ningún préstamo!

Ahora bien, si se quiere que las ideas que se elaboran sobre el origen del universo tengan un sentido científico, conviene no olvidad el «método de postulación de Einstein». Este método consiste en conjeturar intuitivamente un postulado físico (que no puede comprobarse de modo directo) y deducir luego lógicamente sus consecuencias y poner después esos resultados a prueba, cotejándolos con la experiencia. Si la prueba falla, ha de rechazarse el postulado.

Los científicos tendrán que conjeturar un modelo físico correcto del origen del universo, desde luego, y hasta las leyes físicas que lo rigen. Pero nuestro conocimiento de las leyes físicas y de las características observadas del universo limitan severamente nuestra libertad de elección.

Los esfuerzos científicos por resolver un problema en cosmología abren a menudo toda una caja de Pandora de otros. Por ejemplo, las especulaciones acerca del universo inmediatamente después del Big Bang condujeron casi inevitablemente a consideraciones acerca de lo que hubo antes. Una hipótesis particularmente fascinante es la que propugna que nuestro universo sería una «burbuja» en un gran universo que contendría un número siempre creciente de ellas. Nuestro «momento de Planck» correspondería al momento en que nuestro mundo nació de una fluctuación cuántica en otro mundo. Del mismo modo, nuestro propio cosmos podría a su vez dar a luz otros mundos completamente desconectados. La clave de todas estas afirmaciones reside en la naturaleza de la «nada» y los campos escalares de la física moderna juegan un papel fundamental en estas generaciones espontáneas de universos.

En nuestra comprensión actual, la nada es el vacío absoluto. Pero para la física cuántica, un vacío es también algo más, una condición inherentemente inestable, en la que no existen ni el espacio ni el tiempo en el sentido clásico.

Según algunos teóricos, la nada que precedió al espacio y al tiempo pudo ser muy bien el mismo tipo de espuma fluctuante, como la que vimos en nuestra anterior sección sobre la era de Planck. Quizás engendrada por las vibraciones de supercuerdas, estas fluctuaciones del vacío pueden ser visualizadas como diminutas burbujas, como las que se muestran en la fig.13.02.01.1. Algunas burbujas simplemente aparecieron y desaparecieron, pero otras pudieron expandirse repentinamente para convertirse en todo un cosmos. En teoría, pues, pueden existir innumerables universos alternativos, cada uno una burbuja separada en que nadie, salvo en los relatos de ciencia-ficción, puede viajar de uno a otro.

Como las muñecas rusas, las matriuskas, este gran universo se presenta como un conjunto de mundos, que engloba otros mundos, y otros, y otros y así ad infinitum. Todas las escalas se parecen. El universo se perpetúa indefinidamente. Aquí un mundo muere; allá otro nace… Este gran universo no tiene fin. ¿Se puede decir por eso que no tiene comienzo? La verdad es de que los que se adhieren a esta idea, no se pronuncian con firmeza.

¿Qué pensar de estos escenarios grandiosos? Algunos científicos están entusiasmados porque las nuevas ideas basadas en la física cuántica pueden utilizarse para elaborar modelos matemáticos del origen mismo del universo que evitan una auténtica singularidad física. Estos modelos, por ahora, carecen todos de un soporte experimental concreto. Pero en las primerísimas etapas de elaboración de esas ideas teóricas, a los físicos no les preocupa la falta de apoyo experimental. Porque lo notable de estos modelos no es tanto que al final se demuestre que son correctos o erróneos, sino que sean posibles. Parece que el universo, pese a su inmensidad y a su origen ignoto, acabará dominado por la razón, porque es una entidad física.

De todas maneras, siempre en la ciencia hay un verdadero test que alude a la fertilidad de sus esquemas. ¿Proponen nuevas observaciones astronómicas, nuevas experiencias de laboratorio? ¿Acarrean en sus huellas intuiciones originales? ¿Dan acceso a nuevos palmos de realidad? ¿Permiten, incluso indirectamente, comprender más y mejor? El interés que les otorgaremos dependerá de las respuestas a estas preguntas. Si no, se arriesgan a seguir siendo temas amenos para los discursos de los banquetes de clausura de los congresos de físicos y astrofísicos…

Texto extraído de Astrocosmo

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