VI. EN EL PRINCIPIO ERA...
DESPUÉS de este breve paseo por el mundo microscópico, volvamos a nuestro Universo. El primer problema al que nos enfrentamos es el de saber si nuestras teorías físicas pueden describir el momento mismo de su nacimiento. ¿Acaso tiene sentido hablar del principio del tiempo, o considerar densidades y temperaturas infinitas? Como señalamos en el capítulo anterior, la Relatividad General deja de ser válida a escala del mundo de Planck. Es obvio, entonces, que la teoría de la Gran Explosión es incapaz de describir el Universo cuando tenía menos de 10-44 segundos de existencia, que es el tiempo de Planck. Pero esta limitación es extremadamente generosa y no todos los físicos pueden resistir la tentación de elaborar teorías sobre el Universo cuando su edad apenas excedía el tiempo de Planck.
Lo que vamos a exponer en el presente capítulo podrá parecer terriblemente especulativo, pero —y esto es lo fundamental— está basado en extrapolaciones, temerarias pero válidas, de leyes bien establecidas de la física.
Sean o no válidos para tiempos muy pequeños, los modelos teóricos de Friedmann predicen que, en el principio mismo del tiempo, la densidad del Universo era infinita. A un estado así los físicos llaman singularidad; esto únicamente implica que ninguna ley física puede describirlo: más que un concepto físico, la singularidad es un reconocimiento de nuestra completa ignorancia. Empero, podemos sosloyar el problema de la singularidad en forma decorosa si invocamos la invalidez de la Relatividad General para tiempos menores que el tiempo de Planck: no estamos obligados a describir lo que queda fuera del campo de la física.
Sin embargo, queda la posibilidad de que el Universo, en lugar de nacer de una singularidad, haya tenido inicios más accesibles al entendimiento. De hecho, el "estado inicial" del Universo pudo ser extremadamente simple: tan simple como un espacio totalmente vacío. Si ése fue el caso, ñla materia surgió en algún momento de la nada!; y, cierto tiempo después de esta creación ex nihilo —tiempo no mucho mayor que el de Planck—, las condiciones físicas del Universo llegaron a ser como las supuestas por Friedmann; sólo en ese momento se inició la expansión que conocemos.
Por extraño que parezca, nuestro Universo pudo surgir de un espacio vacío y eterno sin violar las leyes de la física: éstas sólo requieren que se conserven ciertas cantidades, como la carga eléctrica, la energía total y el exceso (o defecto) de partículas sobre antipartículas. Si el Universo surgió de la nada, su carga eléctrica y su energía total deben haber sido nulas, y el número de partículas igual al de antipartículas, tanto ahora como en el principio, pues ésas eran las condiciones del vacío primordial; veamos si eso es plausible.
La carga eléctrica total del Universo es nula, según lo indican todas las observaciones astronómicas. La carga del electrón es exactamente la misma en magnitud, pero de signo contrario, que la del protón; y todo indica que el número de protones y electrones en el Universo es idéntico.
La energía total del Universo bien podría ser nula. En efecto, la energía puede ser tanto positiva como negativa. En un cuerpo cualquiera, la mayor parte de la energía se encuentra en forma de masa según la fórmula de Einstein E=mc2; esta energía es positiva. Por otra parte, la energía gravitacional es negativa, lo cual significa simplemente que hay que impartirle energía a un cuerpo para alejarlo de otro que lo atrae gravitacionalmente. Ahora bien, existe una curiosa relación entre la energía en forma de masa de un cuerpo cualquiera, y su energía gravitacional debida a la atracción de toda la materia dentro del Universo visible: las dos energías tienen magnitudes comparables (dentro de las incertidumbres inevitables) pero son de signo contrario, por lo que resulta factible que se cancelen mutuamente. Así, la energía total del Universo podría ser nula, y la energía en forma de masa estaría compensada exactamente por la energía gravitacional.
Por último, ¿pudo nacer el Universo con la misma cantidad de materia y antimateria? Vimos anteriormente que las partículas y antipartículas pueden coexistir a muy altas temperaturas; veremos con más detalle en el siguiente capítulo que ésa era la situación durante los primeros segundos del Universo, cuando había casi la misma cantidad de materia y antimateria. Al bajar la temperatura, las partículas y antipartículas se aniquilaron mutuamente y sólo sobrevivió un pequeño excedente de materia. La física moderna tiene una explicación del origen de ese excedente: hace algunos años, los físicos encontraron pruebas experimentales de que existe una pequeñísima asimetría entre el comportamiento de las partículas y el de las antipartículas. Esa ligera asimetría pudo causar que, en los primeros instantes del Universo, se formara un poco más de materia que de antimateria.
¿Qué hizo surgir al Universo de la nada? Los partidarios de la creación ex nihilo tienen una respuesta basada en la física moderna. Según la mecánica cuántica, el vacío no está realmente vacío sino repleto de partículas y antipartículas, llamadas "virtuales", que se crean y se destruyen azarosamente; en una región microscópica pueden surgir súbitamente un electrón y un positrón, que se aniquilan casi inmediatamente en un tiempo demasiado corto para que puedan ser detectados; un proceso así se llama fluctuación cuántica. Para los lectores incrédulos, señalamos que no todos los físicos aceptan la existencia de fluctuaciones cuánticas, aunque todos admiten que el concepto de vacío presenta, a la luz de la física moderna, una serie de problemas formidables que aún estamos lejos de entender. Sea lo que fuere, si se admiten las ideas anteriores, bien podría ser que el Universo mismo haya sido una fluctuación cuántica del vacío. ¿Y cómo se generó tal cantidad de materia y antimateria?; a esto los partidarios de la creación ex nihilo contestan que, después de todo, se dispuso de un tiempo infinito para que, alguna vez, se produjera una fluctuación cuántica de la magnitud del Universo. Si la probabilidad de un evento es extremadamente pequeña, pero no cero, tendrá que suceder alguna vez si se dispone de tiempo suficiente. A la pregunta ¿por qué nació el Universo con las propiedades que le conocemos?, se contesta fácilmente: de haber nacido otro tipo de Universo, no existiríamos nosotros para nombrarlo. Y ya para terminar, podríamos preguntarnos si tiene sentido el concepto de un espacio vacío, desprovisto de toda materia, pero en el cual estén dadas las leyes de física. Esta pregunta desborda el campo de la física y nos lleva de lleno a la metafísica y al misticismo.
¿Nació el Universo del vacío, o de una singularidad escondida en el mundo inescrutable de Planck? Es curioso que el concepto de la Creación a partir de la nada o de un estado indescriptible (el "caos primordial") ha atraído la imaginación humana (¿se trata acaso de un arquetipo junguiano?).
Queda aún otra posibilidad para la Creación. Vimos en el capítulo IV que, según
los cálculos de Friedmann, si la densidad de masa del Universo excede cierto
valor, la expansión cósmica se detendrá en algún momento y se iniciará una contracción.
Eventualmente, toda la materia del Universo volverá a comprimirse —en otra
singularidad, quizás— como en los inicios de la Gran Explosión. Si tal es
el destino del Universo, podemos concebir que la contracción terminará en una
"Gran Compresión" a la que seguirá otra Gran Explosión, y así sucesivamente
(Figura 35). Un número inconmensurable de ciclos se sucederá eternamente, como
en la cosmología védica. Consideraremos la posibilidad de este evento en el
siguiente capítulo.
La mayoría de los cosmólogos modernos piensan que, independientemente de su origen, el Universo empezó a expanderse en algún momento tal como lo predice la teoría de la Gran Explosión. Cuando el Universo tenía menos de 10-35 segundos (108 veces el tiempo de Planck), las partículas que lo componían poseían tanta energía que las interacciones fuertes, electromágneticas y débiles eran indistinguibles entre sí —en el sentido explicado en el capítulo anterior—. A los 10-35 segundos, la temperatura del Universo era de unos 1028 grados Kelvin; si hemos de creer en las teorías de la Gran Unificación, fue en ese momento cuando las interacciones fuertes se desligaron de las electromagnéticas y débiles. Hace algunos años, se descubrió que dichas teorías predecían un curioso e interesante efecto: la separación de las interacciones fuertes de las otras interacciones debió ser un proceso extremadamente explosivo de la materia, en el que se liberaron cantidades colosales de energía. La consecuencia más importante fue que, a los 10-35 segundos, el Universo se expandió muchísimo más rápidamente que lo que se esperaría según el modelo de Friedmann: en menos de 10-33 segundos, la distancia entre dos puntos materiales aumentó por un factor de 1028 o más. Este es el modelo del Universo inflacionario (Figura 36).
Figura 36. Evolución del factor de escala según el modelo del Universo inflacionario.
Este modelo se ha vuelto muy popular porque resuelve de un golpe varios problemas de la cosmología. En primer lugar, explica por qué el Universo es homogéneo en todas las direcciones, aun en regiones que nunca tuvieron tiempo de influirse entre sí (volveremos a este problema en el próximo capítulo). Si el Universo sufrió una inflación violenta, la materia que estaba inicialmente en contacto fue arrojada en todas direcciones con velocidades cercanas a la de la luz —y muy superiores a la velocidad de expansión predicha por los modelos de Friedmann— en esta forma, regiones del Universo que vemos en direcciones diametralmente opuestas estuvieron en contacto cuando se iniciaba la expansión cósmica.
Otro problema es el de la densidad del Universo; en principio, ésta podría tener cualquier valor, pero, curiosamente, la densidad observada no difiere lo suficiente de la densidad crítica para poder decidir, por lo menos hasta ahora, si el Universo es abierto o cerrado. El modelo inflacionario predice que la densidad del Universo debe ser justo la crítica, lo cual es compatible con las observaciones astronómicas.
En algún momento, la inflación debió de detenerse (ésta es la parte más oscura de la teoría) y dar lugar a una expansión como la predicha por Friedmann. La evolución posterior del Universo fue más apacible; así, por ejemplo, a los 10-12 segundos la temperatura había bajado a 1016 grados Kelvin y fue en ese momento cuando se separaron también las interacciones débiles de las electromagnéticas; este proceso no fue tan catastrófico como el que causó la inflación. Con el paso de los microsegundos, el Universo fue evolucionando y la parte especulativa de la teoría va disminuyendo.
El concepto del Universo inflacionario está basado en ciertas teorías de partículas elementales que aún no han sido confirmadas plenamente, pero la idea es muy interesante y ofrece la posibilidad de investigar las épocas más remotas del Universo. Veremos más adelante que las teorías mencionadas ofrecen la posibilidad de entender el origen de las galaxias.
