El Big Bang: Una teoría sólida, pero siguen los misterios

Ciencia Kanija
23/03/10

El Big Bang fue el inicio del universo que conocemos, dicen la mayor parte de los científicos. Pero, ¿fue el inicio?, y ¿será el final?

Una descripción popular del joven universo es un único Big Bang, después del cual el espacio se hinchó rápidamente como una burbuja gigante. Pero otra teoría propone que vivimos en un universo de 11 dimensiones, donde todas las partículas están compuestas por diminutas cuerdas vibrantes. Esto podría crear un universo obligado a un ciclo de Big Bangs y Big Crunchs, repetidos en un blucle.

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Aún está por ver qué escenario está más cerca de la verdad, pero los científicos dicen que nuevos experimentos que están ahora en proceso podrían proporcionar pronto más respuestas.

El Big Bang

De acuerdo con la Teoría del Big Bang, el universo comenzó siendo extremadamente denso y caliente. Hace alrededor de 14 000 millones de años, el propio espacio se expandió y enfrió, permitiendo finalmente la formación de átomos y que se agruparan para formar las estrellas y galaxias que vemos hoy.

En esto, la mayor parte de los científicos concuerdan.

“Diría que hay un 100% de consenso, en realidad”, dice el físico de partículas de la Universidad de Pennsylvania Burt Ovrut, sobre la teoría del Big Bang. “Hay una abrumadora evidencia – todas las predicciones son ciertas”.

Por ejemplo, esta teoría predice que el universo actual estaría lleno de una omnipresente luz dejada por el Big Bang. Este resplandor, conocido como radiación del fondo de microondas cósmico, se descubrió en 1964, casi 20 años después de que se hubiese predicho.

No obstante, qué sucedió en el momento exacto, y que pasó inmediatamente después, está abierto al debate.

Una burbuja gigante

Una idea predominante que conecta los puntos entre el Big Bang y el universo que vemos hoy es la conocida como inflación. Esta es la idea de que durante los, aproximadamente, primeros 10-34 segundos (0,0000000000000000000000000000000001 segundos), el universo sufrió una expansión exponencial, duplicando su tamaño al menos 90 veces. Durante esta etapa inicial, la materia estaba en un estado muy distinto al actual.

Esta teoría podría explicar algunos de los principales obstáculos propuestos por el Big Bang: ¿Por qué el universo parece mayormente plano, con aproximadamente la misma cantidad de materia dispersa igualmente en todas las direcciones?

“Si imaginas que la materia estaba en un estado diferente en los inicios del universo, cambia toda la historia”, dijo Andreas Albrecht, físico teórico de la Universidad de California en Davis y uno de los precursores de la inflación. “La física puede crear esa suavidad por ti. La inflación también lo hace plano. Todo encaja maravillosamente en esta historia contada por la inflación”.

Pero Albrecht y otros admiten que la teoría no explica aún todo el cuadro.

“La inflación es, con facilidad, la teoría más popular en la cosmología”, dijo el físico teórico Neil Turok, director del Instituto Perimeter para Física Teórica en Ontario, Canadá. “Es una buena teoría, pero tiene algunos puntos débiles. No puede describir el momento del Big Bang”.

La teoría del Big Bang ve al universo iniciándose a partir de una singularidad – un concepto matemático de temperatura y densidad infinitas empaquetadas en un único punto del espacio. Pero los científicos no creen que esto sea lo que sucedió realmente.

“Realmente no sería infinito”, explica el físico Paul Steinhardt, director del Centro Princeton para Ciencia Teórica en la Universidad de Princeton en Princeton, Nueva Jersey, y otro arquitecto de la inflación. “Infinito simplemente significa que las matemáticas colapsan. Es una afirmación de que no deberías haber extrapolado tus ecuaciones tan lejos, debido a que te estallan en la cara”.

Ni la teoría del Big Bang ni la teoría inflacionaria pueden describir lo que sucedió en ese momento.

Y la inflación tiene otros problemas, para algunas personas. Debido a las fluctuaciones cuánticas, distintas partes del universo podría inflacionar a distintos ritmos, creando “universos burburja” que son mucho mayores que otras regiones. Nuestro universo puede ser uno dentro de un multiverso, donde reinan distintas escalas y leyes de la física.

“Esto significa que todo y nada de lo que pueda suceder, sucederá”, dijo Steinhardt a SPACE.com. “Por lo que, básicamente, todo podría ser una predicción de la inflación. Para mi esto es un problema fundamental y no sabemos cómo librarnos de él”.

Otros dicen que aunque la inflación puede que aún no esté completa, aún así es lo más útil que tenemos para describir el origen del universo.

“Incluso si todas las cosas son posibles, resultaría que algunas cosas son mucho más posibles que otras, y aún podrías hacer una predicción”, dice Albrecht. “El verdadero entusiasmo para mi, es que hay tantos datos que apoyan la inflación que realmente parece que merece la pena pensar en estas preguntas”.

Ciclos y ciclos

En 2001, Steinhardt y Turok propusieron una idea conocida como modelo cículo, basada en un concepto anterior llamado universo ekpirótico que habían ideado junto a Ovrut.

En este escenario, el universo pasa por una secuencia sin fin de “bangs” y “crunchs” – es decir, periodos de expansión seguidos de periodos de contracción. En cada transición, el universo tendría una temperatura y densida finita, en lugar del infinito de la singularidad, y la expansión y contracción serían relativamente lentas, en oposición a la rápida expansión exponencial propuesta por la inflación.

La idea se basa en la Teoría M, una versión de la Teoría de Cuerdas que sugiere que toda partícula es, de hecho, un diminuto bucle de cuerda cuyo patrón de vibración determina qué tipo de partícula será. No obstante, la Teoría M requiere que el universo tenga 11 dimensiones. Hasta el momento, sólo podemos detectar cuatro – tres espaciales y una temporal. Pero puede que haya otras siete ocultas, según dicen sus defensores.

Los científicos llaman brana a la parte de cuatro dimensiones visible del universo, y sugieren que pueden existir otras branas de cuatro dimensiones dentro de este espacio de 11 dimensiones.

“Si se tiene otra brana en dimensiones superiores, es extremadamente probable que se mueva e impacte con con la nuestra”, dice Ovrut. “Tienes una brana con la estructura exacta de nuestro mundo real, y otras branas que probablemente impactarán con la nuestra, y toda la energía de los universo en colisión entraría en juego. Oye, eso me suena mucho a un Big Bang”.

Los defensores de la idea dicen que ofrece una emocionante forma de abordar el tema de qué desencadenó el Big Bang, y evita algunos de los problemas de la inflación.

“En la teoría cíclica no sólo describes el último estallido, sino también los anteriores”, explica Turok. “Es una descripción mayor, más completa y esperemos que más consistente lógicamente”.

Pero otros investigadores dicen que el modelo cíclico no han llegado lo bastante lejos para ofrecer una alternativa real a la inflación.

“La inflación tiene problemas cuando tratas de hacer que funcione a gran escala, pero no creo que los cíclicos hayan trabajado realmente tan duro para hacer que funcione mejor”, dice Albrecht. “Creo que tienen las manos llenas de problemas técnicos”.

Probando los modelos

Afortunadamente, los científicos puede que no tengan que esperar mucho para saber qué teoría es mejor. Los modelos hacen predicciones diferentes sobre ciertos aspectos del universo que hoy puede medirse.

Por ejemplo, la inflación podría haber creado ondas gravitatorias – distorsiones del espacio-tiempo provocadas por la gravedad – que deberían ser observables.

Algunos nuevos instrumentos, como el satélite Planck lanzando en 2009, y un instrumento conocido como polarímetro que está siendo construido en el Telescopio del Polo Sur en la Antártica, podrían medir esas ondas.

“Si observáramos esas ondas gravitatorias, acabarían con las teorías cíclicas ekpiróticas de rebote”, dice Steinhardt. “Sería muy consistente con la idea de inflación”.

Sin embargo, no encontrar las ondas no sería un golpe fatal para ninguna teoría, dado que algunas versiones de la inflación no requieren ondas gravitatorias. Sea cual sea el caso, sería apasionante, dicen los científicos.

“La calidad de los datos astronómicos se está disparando”, dice Albrecht. “Probablemente se recopilarán los datos en los próximos cinco a diez años, y veremos qué pasa”.