Durante milenios, la humanidad ha mirado al cielo preguntándose sobre el origen del universo. Desde nuestros antepasados hasta los científicos modernos, hemos buscado respuestas a preguntas fundamentales: ¿Cómo comenzó todo? ¿De dónde venimos? ¿Existe la nada? Aunque hemos logrado avances significativos, muchas de estas preguntas siguen siendo un desafío para la ciencia.
Evolución del Universo desde el Big Bang hasta la actualidad.
Teorías del Universo: Un Recorrido por las Ideas Más Fascinantes
A lo largo de la historia, se han propuesto diversas teorías para explicar el origen y la evolución del universo. A continuación, exploraremos algunas de las más influyentes y debatidas:
La Teoría del Big Bang
La teoría del Big Bang es la más popular y ampliamente aceptada por la comunidad científica. Según esta teoría, el universo se expandió rápidamente desde un estado inicial muy pequeño y comprimido. No hubo una explosión propiamente dicha, como el término ‘bang’ puede darnos a entender. El Big Bang es el nombre que se le otorga al fenómeno que dio comienzo a todo lo que existe.
El universo no tiene centro como tal, porque ni el espacio ni el tiempo existían antes del Big Bang; por eso no se puede situar el origen en un punto concreto. Lo que sí sabemos es que el universo continúa expandiéndose y enfriándose. Además, sabemos que las galaxias se alejan entre sí y que lo hacen cada vez más rápido.
La Teoría del Big Bang NO HABLA del Big Bang
De hecho, solo el 5 % de lo que forma el universo es materia ordinaria (lo que te forma a ti, a la Tierra, y a todas las estructuras visibles del universo); pero el 27 % es materia oscura y el 68 % restante, energía oscura. Es decir, la mayor parte del cosmos está hecho de algo que no podemos ver ni comprender.
Una prueba de que existió algo como el Big Bang es la radiación de fondo cósmico de microondas. Fue descubierta en 1965 y data del momento en que el universo tenía ‘solo 380 000 años de edad.
Representación de la Radiación Cósmica de Fondo.
Qué hubo antes del Big Bang: La teoría del Big Bounce
Algo que sorprende a los cosmólogos es que el universo es asombrosamente plano y uniforme. Es decir, en lugar de haberse producido una distribución caótica de materia y energía, todo parece estar aplanado y distribuido de manera constante, lo que implica que debió existir algún fenómeno que contribuyera a ello. Aquí entra en juego lo que los físicos denominan inflación o era inflacionaria, un periodo en el que pudo producirse esta unificación de materia y energía que homogeneizó todo el cosmos.
Pero la inflación también tiene sus puntos débiles y algunos científicos creen que no es suficiente para explicar la uniformidad del universo. Una alternativa para la inflación, acuñada entre otros por el físico y profesor de la Universidad de Princeton Paul Steinhardt, es lo que se conoce como el Big Bounce, algo así como ‘el gran rebote’. En una entrevista concedida al Instituto de Física Teórica UAM/CSIC, Steinhardt explica que antes del Big Bang habría habido un periodo anterior de contracción; el universo se habría replegado sobre sí mismo y luego expandido de nuevo, lo que podría explicar perfectamente las propiedades antes solo explicadas por la inflación.
La Teoría del Universo Cíclico u Oscilante
Quizá te suene el nombre de Roger Penrose, dado que fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2020. Penrose es uno de los científicos actuales que más ha teorizado sobre el origen del universo. Propuso una teoría por la cual el universo pasaría por periodos de expansión y de contracción de manera cíclica; por tanto, ahora estaríamos pasando por uno de expansión.
Al periodo de contracción límite se le conocería como big crunch, que se volvería “matemáticamente idéntico al Big Bang”, que precedería a una nueva expansión. Estos procesos cíclicos estarían compuestos por un Big Bang, seguido de una expansión que terminaría finalmente en un Big Crunch, que daría a su vez un nuevo Big Bang y el universo comenzaría de nuevo.
Representación del Big Bounce.
La Teoría de los Multiversos
Uno de los principales problemas que los físicos encuentran a la hora de explicar el origen del universo es que no tenemos una teoría de gravedad cuántica, una ‘teoría del todo’. A escalas cuánticas, un sistema físico existe en una superposición de varios estados diferentes a la vez y solo manifiesta uno de ellos de forma aleatoria cuando lo medimos.
Pues bien, la teoría de los multiversos podría explicar este y otros problemas que los cosmólogos encuentran para explicar el origen del universo. Según esta teoría, existiría un conjunto de universos diversos, y el nuestro constituiría solo un subconjunto pequeño del multiverso. Para que la teoría de los multiversos funcione, debemos suponer que existen al menos seis dimensiones (nosotros experimentamos solo tres); pero algunas teorías físicas -como la teoría de cuerdas, candidata a ‘teoría del todo’- sugieren que habría por lo menos once dimensiones.
La Teoría del Estado Estacionario
La teoría del estado estacionario es una teoría cosmológica que propone que el universo no tiene principio ni fin y que siempre ha existido y existirá con las mismas propiedades. Según esta teoría, el universo se expande a un ritmo constante, pero la materia se crea continuamente en el espacio vacío para mantener la densidad del universo constante.
Esta teoría sobre el origen del universo fue propuesta en 1948 por los físicos Fred Hoyle, Thomas Gold y Hermann Bondi como una alternativa a la teoría del Big Bang, que implicaba un origen y una evolución del universo. La teoría del estado estacionario se basaba en el principio cosmológico perfecto, que afirma que el universo es homogéneo e isotrópico en cualquier lugar y momento.
Sin embargo, esta teoría sobre el origen del universo se enfrentó a varios problemas y contradicciones con las observaciones astronómicas. Por ejemplo, la teoría no podía explicar la existencia de la radiación cósmica de fondo, que es un remanente del Big Bang. Por estas razones, la teoría del estado estacionario fue perdiendo apoyo y credibilidad entre los científicos y fue reemplazada por la teoría del Big Bang como el modelo estándar sobre el origen del universo.
La Teoría de la Simulación
Por último, existe una teoría sobre el origen del universo no descartada completamente por la comunidad científica, y es que es posible que estemos viviendo en una especie de Matrix. Por ejemplo, un cosmólogo del MIT llamado Max Tegmark afirmó en 2016 durante una conferencia en memoria de Isaac Asimov que las leyes matemáticas que rigen el universo podrían ser en realidad fruto de un algoritmo creado por una inteligencia distinta a la nuestra; o incluso que es la propia humanidad la que ha creado la simulación en un punto del futuro para recrear el pasado
También es posible que sean otras vidas extraterrestres inteligentes las que hayan creado este universo simulación, como objeto de estudio o bien, por simple entretenimiento. Esta última teoría es quizás la más controvertida de todas y no disponemos evidencia de que esto pueda ser cierta, aunque tampoco de que pueda descartarse por completo.
El Futuro del Universo: ¿Cómo Terminará Todo?
Muchos físicos teóricos creen que el Universo terminará, y que podría suceder en cualquier momento entre 2.800 millones de años y 22.000 millones de años a partir de ahora. La velocidad de esta expansión puede provocar su fin y hay varias teorías sobre cómo y cuando se produciría este fin.
Parece que el cosmos continuará expandiéndose por siempre, incluso cada vez más rápido. Las estrellas terminarán agotando su combustible, explotando o dejando fríos remanentes, muchos de los cuales acabarán cayendo dentro de agujeros negros, los cuales a su vez terminarán evaporándose, transformando la materia que han engullido en radiación, debido al llamado efecto Hawking. La expansión enfriará esa radiación, y el universo se irá apagando poco a poco, hasta que cese toda actividad.
Una vez que nada interesante pueda ocurrir en el cosmos, podemos decir que el tiempo físico, medido a través de los cambios en la materia o en la gravedad, se detiene. En este sentido, el tiempo terminaría congelándose.
Entrevista a un Experto: Un Breve Recorrido por la Historia del Universo
Comencemos por el principio. ¿Cómo surge el universo? La idea generalizada de que el universo comenzó hace 13.800 millones de años se extrae de la teoría de la Relatividad General de Einstein, que describe exquisitamente bien la inmensa mayoría de los fenómenos observados y es la que usamos para estudiar la estructura y evolución del cosmos. El problema es que no tiene validez en los instantes cercanos al Big Bang, ya que no incorpora los efectos cuánticos, y pensamos que estos desempeñaron un papel esencial en aquellos momentos.
Si queremos entender cómo se originó el universo o, mejor, si tuvo un origen, no tenemos más remedio que incorporar esos efectos cuánticos a la teoría de Einstein, en lo que se conoce como una teoría cuántica de la gravedad.
¿Entonces el universo no nació hace unos 13.800 millones de años como nos han dicho? No estamos seguros de eso. De la misma manera que podemos calcular donde estaba la Luna en un instante pasado conociendo su posición y velocidad actual, la relatividad general nos permite conocer la evolución pasada del universo a partir de las observaciones del presente, viendo la materia y radiación que contiene y la forma en la que se expande. Pero insisto, esto no quiere decir que el cosmos se originase en aquel instante.
¿Cuáles son las otras alternativas, qué hubo antes del Big Bang? Hay diferentes teorías, pero realmente ninguna aceptada. Algunas plantean que, efectivamente, el universo se originó en el Big Bang, como la llamada ‘propuesta de no-frontera’ de Stephen Hawking y James Hartle, que es una versión cuántica del Big Bang de la relatividad general, donde el universo surge de la nada. Yo particularmente no soy un gran fan de esas ideas.
Otro ejemplo es el de la teoría cuántica de lazos que, por el contrario, sugiere que el Big Bang fue un gran rebote, donde el universo dejó de contraerse y comenzó a expandirse, lo que implicaría que entonces no se originó en ese instante. Otra idea es que el cosmos no nació en el Big Bang, pero sí el concepto de tiempo. Las propuestas sobre la mesa son fascinantes.
En cualquier caso, ¿del vacío puede surgir algo? Por mucho que sorprenda, la respuesta es que sí. La razón por la que nos parece imposible es debido a la imagen idealizada que tenemos del concepto de vacío, que asociamos al concepto de la ‘nada’, pero no es lo mismo. La nada como tal no existe en la naturaleza. Sin embargo, el vacío se define como el estado de mínima energía que puede alcanzar un sistema, y esto no implica que deba ser igual a cero, ni que no haya nada dentro.
La física cuántica nos enseña que el vacío tiene estructura interna, y como consecuencia se puede interaccionar con él. Por ejemplo, al inyectar energía en el vacío se pueden crear pares de partículas espontáneamente. De hecho es lo que ocurrió en el universo temprano como consecuencia de la expansión cósmica, y es el origen de las estructuras que observamos a en el universo, incluyéndonos a nosotros mismos.
Tras el Big Bang, en menos que la trillonésima parte de un segundo se produce la inflación cósmica, una expansión colosal y ultrarrápida del universo. "Por mucho que sorprenda, del vacío puede surgir algo. La física cuántica nos enseña que se puede interaccionar con él.
No hay duda de que el universo se expande, pero para hacerse una imagen intuitiva es necesario entender primero qué se quiere decir con expansión. En la expansión del universo, el propio espacio es el que crece y arrastra las galaxias, alejándolas unas de otras. Algo similar ocurre con las semillas espaciadas en la masa de un pan, que se alejan unas de otras cuando se cuece: las semillas no se separan entre sí porque se desplacen a través de la masa, sino porque se mueven con ella al crecer.
La expansión cósmica solo tiene sentido verla desde ‘dentro’. El universo, por definición, es todo lo que existe, de modo que, sea finito o infinito, no puede estar metido dentro de nada, aunque a nuestra mente le sea muy difícil crearse una imagen de esto.
Actualmente entendemos con precisión la historia del universo durante los últimos 13.800 millones de años: cómo se formaron los núcleos atómicos, más tarde los átomos y cómo estos han evolucionado para formar estrellas y galaxias. Este conocimiento es uno de los mayores hitos de la humanidad, que no debería dejar a nadie indiferente. Pero al mismo tiempo, aún desconocemos muchas cosas.