¿Cómo se expande algo que es infinito? ¿Tuvo el universo un principio? ¿Y cómo será su final? ¿Por qué las reglas con las que explicamos el cosmos pierden sentido en los agujeros negros?
En su último libro, ‘Más allá del Big Bang’, Iván Agulló (Elche, 1980) intenta acercar la respuesta (o la ausencia de ella) a estas y otras preguntas. En poco más de 100 páginas, busca explicar de forma sencilla algunos de los conceptos más complicados en los que se enreda la cosmología moderna. Y lo consigue.
Este físico teórico, profesor e investigador de la Louisiana State University, en Estados Unidos, fue el primer español en recibir el primer premio de la Gravity Research Foundation (y repitió en 2017). Comparte el galardón, entre otros, con Stephen Hawking o los premios Nobel Roger Penrose y George Smoot. Persigue, como muchos otros físicos, la reconciliación de las dos grandes teorías que han dirigido la física y el estudio del universo durante los últimos 100 años.
– Es uno de los investigadores que intenta encajar la relatividad general y la mecánica cuántica. ¿Estamos más cerca de lograrlo?
Desafortunadamente, no. La llamada gravedad cuántica busca combinar los dos pilares: la teoría de Einstein que explica el universo a gran escala y la mecánica cuántica que se encarga del mundo de lo microscópico y subatómico. Son dos teorías completamente diferentes que intentamos reconciliar desde hace más de 60 años.
Ha habido etapas de florecimiento y de estancamiento. La teoría de cuerdas, la propuesta de gravedad cuántica con más seguidores, supuso un boom en los años 70 del siglo pasado. Con la teoría cuántica de lazos ha pasado un poco lo mismo. Todas han llegado a un punto de estancamiento en el cual no está nada claro si vamos a progresar por ese camino.
La ciencia es un laberinto en el que no sabes si la salida está a la vuelta de la esquina o estás completamente perdido. Puede ser que falte una idea brillante para encajar todo el puzle. Pero puede ser también que estemos completamente perdidos. E incluso puede ser que alguna de las teorías, o las dos, necesiten ser modificadas de forma radical.
– Entre esas diferentes teorías, trabaja en la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo, ¿en qué consiste?
La teoría cuántica de campos estudia sistemas cuánticos, como átomos, junto a la gravedad clásica. La gravedad que describió Einstein es como un espacio curvo, por eso la teoría se llama así. La historia de la gravedad es muy curiosa. Fue la primera fuerza en ser formulada de forma matemática, lo hizo Newton. Tenemos la sensación de que es la fuerza que mejor conocemos. Pero, en realidad, sabemos mucho más del resto de fuerzas que conocimos después.
Por otro lado, la gravedad es también la fuerza más débil. Para notarla hacen falta grandes masas, como las de los planetas. Al ser tan débil, sus aspectos cuánticos no se aprecian. Son irrelevantes en cualquier parte del universo salvo allí donde la gravedad es extrema: en el centro de los agujeros negros y en el Big Bang.
– La teoría de la relatividad general de Einstein no funciona muy bien en esos puntos en los que la gravedad es extrema. ¿Es debido a que ambos no pertenecen a las reglas de nuestro universo o es que es necesario reformular esas reglas?
La teoría de Einstein es una maravilla, pero él ya sabía que nunca podría ser una teoría general porque no incorpora la mecánica cuántica. Es una aproximación excelente para todo el universo, salvo para los lugares en los que los efectos cuánticos de la gravedad no se puedan despreciar: los agujeros negros y el Big Bang. Allí, la teoría de Einstein llega a su fin. No podemos confiar en lo que nos dice.
Tenemos la esperanza de que haya una forma efectiva de combinar la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad. Pero hasta ahora no hemos encontrado cómo. Puede ser que haya que modificar alguna de las dos ideas o incluso ambas.
Como no tenemos datos experimentales, es muy complicado encontrar una respuesta. Dentro de un agujero negro no podemos mirar porque está protegido por el horizonte de sucesos. Hacia el Big Bang, que es donde creo que hay más esperanza, podemos mirar, pero es muy difícil observar algo porque ocurrió hace miles de millones de años.
«Aquellos lugares del universo donde falla la teoría de Einstein están protegidos por un horizonte de sucesos que nos impide ver lo que ocurre».
– Todo esto se mueve en el terreno matemático, pero ¿cree que podremos observar algo que nos permita comprobar las teorías?
La física es una ciencia, y la ciencia debe ser comprobable experimentalmente. Pero, como decía, es muy difícil observar los lugares donde puede estar la respuesta. El interior de los agujeros negros está protegido por la conjetura de la censura cósmica, que formuló Roger Penrose, el Nobel de Física del año pasado. Aquellos lugares del universo donde falla la teoría de Einstein están protegidos por un horizonte de sucesos que nos impide ver lo que ocurre.
El Big Bang es diferente, porque en principio sí es observable. Pero han ocurrido tantas cosas desde entonces que la información no se puede extraer de forma simple.
– La radiación cósmica de fondo de microondas, que se liberó unos 380 000 años después del Big Bang, es la señal más cercana que hemos recibido de aquellos tiempos. ¿Podremos llegar a mirar más allá?
El universo fue opaco a la radiación durante sus primeras etapas. Es decir, era tan denso que la luz no se propagaba. Así que no podemos ver con luz lo que ocurrió antes de que se liberase la radiación. ¿Existen otros tipos de mensajeros que nos traigan información de aquella época? Quizá. El mensajero más prometedor es la gravedad misma.
La gravedad no se puede parar, no se le pueden poner obstáculos. Además, se propaga en forma de ondas. Creemos que las ondas gravitatorias pudieron propagarse desde el Big Bang y haber dejado su huella en la historia del cosmos. Las ondulaciones de la gravedad pueden ser el mensajero dorado del Big Bang.
«Pensar que el tiempo tuvo un origen me parece una idea muy chocante. Pero puede ser que sea por nuestras limitaciones intuitivas».
– Hablando del Big Bang, su libro busca en gran medida redibujar la idea general que tenemos sobre él. ¿No hubo explosión ni hubo principio?
El nombre de Big Bang lo ideó uno de los líderes de una teoría alternativa. Lo ideó con un tono burlesco, riéndose de la idea de que todo había nacido de una explosión. La teoría de la relatividad general de Einstein predice que, si propagas el universo hacia atrás en el tiempo, hay un final. Hay un instante en el que el tiempo se para. Es como si en la Tierra intentásemos ir más al sur del polo sur. No se puede.
El problema es que, llegado ese punto, la teoría da predicciones que no tienen sentido. Nos dice que la densidad de la materia y la fuerza gravitatoria se vuelven infinitas. Es un absurdo matemáticamente. Sin embargo, lo que nos dice en realidad es que la teoría deja de tener validez en ese punto. Nos dice que nuestro conocimiento ha llegado a su límite.
Es pretencioso y, para mí, erróneo, decir que la teoría de Einstein predice que el universo empezó en el Big Bang. Simplemente no sabemos lo que ocurrió, llegamos al límite de validez de la teoría. Necesitamos trabajar más para saber si el universo tuvo o no un comienzo.
– ¿Y qué le tiene más sentido?
Intento separar mis simpatías filosóficas de mi trabajo. Me guío por lo que vemos y por lo que dicen las ecuaciones. Personalmente, pensar que el tiempo tuvo un origen me parece una idea muy chocante. Pero puede ser que sea por nuestras limitaciones intuitivas. Prefiero permanecer agnóstico y dejar que la naturaleza decida.
– Cuando de jóvenes estudiamos el Big Bang, siempre hay quien pregunta qué había antes. La respuesta suele ser la nada. Pero la mecánica cuántica ha demostrado que la nada no existe.
El nombre Big Bang nos hace pensar que hubo un gran bang en algún lugar del cosmos. Pero eso no es lo que dice la teoría de Einstein. Esta nos dice que fue un acontecimiento que ocurrió en todo el cosmos simultáneamente. Tan desacertado es el nombre que en los 90 la revista ‘Sky & telescope’ hizo un concurso para elegir uno mejor. Pero no encontraron ninguno.
– Hombre, como marca, Big Bang es difícilmente superable.
Claro, pero la marca tiene un precio a pagar. Tiene connotaciones que no son correctas. La teoría de Einstein no predice que no haya nada antes. Nos dice que el tiempo no se puede extrapolar más allá. Es difícil de imaginar. La mejor similitud es pensar en una esfera, como un planeta. Moverse siguiendo los meridianos sería viajar en el espacio y moverse siguiendo los paralelos sería viajar en el tiempo. Pero llega un momento que se llega a un límite, no hay más pasado.
Y no vale imaginarse esa esfera dentro de una habitación. La esfera lo es todo. Esa es una imagen geométrica cercana a lo que predice la teoría de Einstein. El espacio-tiempo termina en el Big Bang, pero eso no quiere decir que antes no hubiese nada.
– En este campo hay muchas otras cosas difíciles o incluso imposibles de imaginar. Si el universo está en expansión, ¿de dónde sale el espacio que se está creando?
Tendemos a imaginarnos el universo como algo dentro de una habitación más grande. Pero el universo es todo lo que existe. La distancia física entre dos puntos crece en el tiempo y lo hace porque la gravedad marca las distancias. Si la masa y la gravedad cambian, las distancias cambian. La expansión es en realidad un efecto de la gravedad cambiante del universo.
Es difícil de explicar de forma simple, pero cambia la distribución de la masa del universo, cambia la gravedad y cambian las distancias. Y todo sucede al unísono.
«Einstein no pudo creerse que el universo se expandía, a pesar de que su propia teoría lo predecía».
– En esta expansión, ¿de qué manera encaja la energía oscura?
Ese es otro de los grandes dilemas. Einstein llega con su teoría y deja a todo el mundo en shock. La comunidad científica fue escéptica. Si vemos lo que acabamos de hablar, razones no le faltaban. Pero poco a poco se va estudiando y se va entendiendo la teoría. Los físicos han ido trabajando sus predicciones y comprobando que eran ciertas.
Eso es la ciencia. Por mucho que una teoría nos parezca estrambótica, si predice lo que va a ocurrir de forma correcta, es una teoría en la que se puede confiar. La expansión del universo fue, precisamente, el gran éxito de predicción de la teoría de Einstein.
Todo estaba bien hasta que en los años 90 varios grupos de astrónomos se dieron cuenta de que la expansión del universo es acelerada. Cada día, se expande más rápido. Y eso no era lo que se esperaba. La teoría de Einstein predecía que la expansión tenía que ser decelerada. La solución es añadir un elemento que genera una especie de gravedad repulsiva. Como no sabemos lo que es, a este elemento lo llamamos energía oscura. Parece que hay algo ahí, algo que ocupa el 70% del universo, pero no sabemos qué es.
– ¿No tenemos ninguna pista de lo que puede ser?
Hay propuestas. El propio Einstein hizo una, aunque por una razón muy diferente: la constante cosmológica. Einstein no pudo creerse que el universo se expandía, a pesar de que su propia teoría lo predecía. Se dio cuenta de que, introduciendo una modificación mínima, una constante, en sus ecuaciones, el universo dejaba de expandirse. Pero esa constante, en realidad, hace que el universo se expanda de forma acelerada.
La constante cosmológica es, por lo tanto, una de las propuestas para explicar la expansión acelerada del universo. Esta diría que la aceleración es constante. Otras propuestas, sin embargo, dicen que la expansión acelerada va cambiando. Ahora mismo, los astrónomos están intentando medir en detalle cómo evoluciona la aceleración para entenderla un poco mejor.
– El otro elemento oscuro del universo es la materia oscura. ¿No tienen nada que ver?
Comparten nombre, lo oscuro que hace referencia a nuestra ignorancia. Puede ser que estén relacionadas, nadie lo sabe, pero la materia oscura surgió de una forma diferente. Los objetos rotan por acción de su propia gravedad. Se ha observado que las galaxias rotan a una velocidad muy diferente a la que deberían, teniendo en cuenta la masa que les hemos calculado. Esto pasa con todas las galaxias. Algo fallaba.
Entonces, a alguien se le ocurrió que tenía que existir más masa que no veíamos [el concepto de materia oscura fue propuesto por Fritz Zwicky en 1933]. Así, se postuló la existencia de una materia que provoca gravedad atractiva de la misma forma que nuestra masa, pero no la vemos. La existencia de esa materia explica muchas cosas. La formación de galaxias y cúmulos de galaxias está guiada por la materia oscura.
«El 95% del contenido de energía y materia del universo es completamente desconocido. El futuro nos depara aventuras intelectuales maravillosas».
– ¿Tampoco tenemos pistas sobre qué puede ser?
Hay propuestas de todo tipo. Existen dos grandes ideas. Una es que la teoría de Einstein es incompleta y necesita modificaciones para explicar la rotación de las galaxias. Son las teorías alternativas de gravedad y están muy de moda en investigación.
La otra es la existencia de nueva materia desconocida. Las más famosas hablan de la existencia de un gran número de agujeros negros, muchos más de los que pensamos. Y la que me parece más plausible es la que señala la existencia de un nuevo tipo de partículas, conocidas como WIMP [del inglés partículas masivas débilmente interactuantes]. Algunas teorías las predicen, pero nunca las hemos visto. El futuro dirá si alguna de estas teorías es correcta.
Es fascinante pensar que tenemos todo el universo por conocer. A veces, el público general puede tener la sensación de que la ciencia lo sabe casi todo. Que nos quedan por conocer cuatro detalles. Pero la cosmología es el ejemplo de que es al revés. El 95% del contenido de energía y materia del universo es completamente desconocido. El futuro nos depara aventuras intelectuales maravillosas.
– Antes hablábamos de las dudas de que hubiese un inicio del universo. ¿Estamos seguros de que va a haber un final?
La respuesta a esta pregunta depende de lo que sea la energía oscura. Inicialmente se pensaba que el universo se expandía de forma decelerada, acabaría por frenarse y volvería a colapsar. Pero la expansión acelerada nos muestra un universo sin final, cada vez más diluido, más frío, en el que las estrellas se apagarán. Solo quedarán las cenizas que se irán diluyendo y acabarán por ser irrelevantes.
Eso sería lo que esperar en vista de la energía oscura. Pero como no sabemos qué es, no podemos cantar victoria. Quizá sea una sustancia que en el futuro deje de tener efecto y el universo se frene y colapse. Es improbable, pero no podemos descartarlo. Lo más plausible, hoy por hoy, es que la energía oscura siempre vaya a estar ahí y que el universo acabe siendo un aburrimiento cósmico.
En Nobbot | Una supertierra ideal que podría contarnos la historia de nuestro futuro
hola Ivan . He leido MAS ALLA DEL BIG BANG y creo que es uno de los mejores libros que he leido . Ameno, conciso,no le sobra nada ni le falta nada.Por tu capacidad que intuyo, pòdias tener la tentacion de llenar muchas mas paginas pero te has contenido. No soy cientifico , simplemente ansioso por saber. Un saludo
A mí lo que más me ha gustado es esa frase tan profunda «Pero la mecánica cuántica ha demostrado que la nada no existe.»
Me ha hecho gracia, porque yo, que no sé nada de mecánica cuántica, también lo sabía. La nada no existe.
Lo que no he conseguido entender, sin embargo, es cómo es posible que todo cambie todo el tiempo.
que bella nota, me encanto , me gusta tu redacción y este hermoso blog, saludos desde el uruguay