Más de cien años de investigaciones científicas han establecido el modelo del Big Bang (a menudo llamado “modelo estándar de cosmología”) como la teoría evolutiva del universo observable. Este modelo detalla la evolución del universo, desde que tenía menos de segundo de vida y se encontraba en un estado en extremo caliente y denso, hasta lo que observamos hoy, al cabo de casi 14 mil millones de años.
El modelo del Big Bang se sustenta en evidencias experimentales clave que incluyen la expansión del espacio, la abundancia de elementos químicos ligeros, y el fulgor residual del Big Bang que sigue impregnando todo el espacio, lo que conocemos como radiación de fondo de microondas (CMB).
Los científicos han utilizado el modelo del Big Bang para retroceder en el tiempo y dar un vistazo al estado que tenía el universo en el instante de su creación, y así fue como descubrieron varios misterios. Por un lado, que la uniformidad del universo recién creado rebasa todas las expectativas razonables y, por otro, unas irregularidades diminutas que exhiben patrones muy especiales (el contraste de densidad de esas irregularidades aumentó gradualmente bajo la influencia de la atracción gravitacional, y se convirtieron en las semillas de las galaxias).
Estas dos propiedades apuntan a que el estado inicial del universo fue producto de un periodo que precedió al Big Bang, lo que conocemos como “universo primordial”. Ese hallazgo condujo a una búsqueda de cuatro décadas, y aún en curso, para determinar qué fue lo que sucedió antes del Big Bang.
De las teorías propuestas, la más importante es la inflación cósmica. Esta teoría propone que el universo primordial estaba dominado por alguna forma de energía oscura, y que se expandió en una fracción de segundo, con una rapidez tremenda. La inflación cósmica se ha convertido en la teoría más aceptada porque, según muchos investigadores, ofrece la explicación más simple para esos misterios. Y, además, los experimentos que miden las propiedades de CMB y la distribución galáctica han verificado varias predicciones de los modelos de inflación más simples.
Sin embargo, también se han postulado varias teorías alternativas y algunas sugieren que, antes del Big Bang, el universo se encontraba en un estado de contracción, y que el Big Bang fue, de hecho, un Big Bounce o Gran Rebote. Estas alternativas son muy reveladoras y nos recuerdan que muchas predicciones de inflación podrían no ser exclusivas de la teoría de inflación. De modo que es posible que debamos explorar y probar otras ideas.
La física es una ciencia experimental, por lo que utiliza experimentos para probar teorías. Y durante los experimentos, es inevitable que surja el problema de la refutabilidad o falsabilidad. Es decir, probar una teoría para demostrar que es errónea.
La inflación es un marco teórico muy extenso que abarca múltiples modelos. Los críticos de la inflación señalan que, si bien los modelos más simples han hecho predicciones que coinciden con los resultados observacionales, otros resultados han sido refutados con experimentos CMB. Es más, los distintos modelos de inflación han producido tantas predicciones diferentes que algunas permiten explicar los experimentos, no obstante cuáles sean sus resultados.
A lo largo de los años, esta controversia ha sido objeto de muchos debates, los cuales culminaron en 2017, cuando se reunieron más de 30 científicos connotados, incluidos cuatro premios Nobel y el difunto Stephen Hawking.
Cómo probar la totalidad de la teoría de inflación
En una artículo reciente, publicado como “Sugerencia de los editores” en la revista Physical Review Letters, este autor y dos colegas de la Universidad de Harvard -Abraham “Avi” Loeb, presidente del Departamento de Astronomía, y Zhong-Zhi Xianyu, investigador postdoctoral del Departamento de Física- proponemos la manera como podrían utilizarse los datos experimentales futuros para averiguar cuál es la teoría correcta.
Nuestro objetivo no es identificar varios modelos dentro del marco teórico de la inflación, sino verificar la totalidad de dicha teoría contra los marcos alternativos.
Nuestra opinión es que la teoría de inflación -o cualquier teoría alternativa- va más allá de un marco matemático que puede ser correcto a condición de que sea auto-congruente. Igual que cualquier teoría física (como la mecánica cuántica o la formación de las galaxias), la teoría de inflación describe un proceso físico cuyas propiedades definitorias deben comprobarse y, de ser posible, refutarse con experimentos.
A pesar de que los críticos tienen razón al afirmar que la teoría de inflación no ha hecho predicciones que puedan refutarse con las antedichas teorías alternativas, eso no significa que las predicciones no existan. De hecho, cada una de esas teorías posee una propiedad definitoria muy clara: la evolución del tamaño del universo primordial. Por ejemplo, durante la inflación, el tamaño del universo aumenta de manera exponencial mientras que, en el Big Bounce, el tamaño se reduce justo antes del rebote. Hasta ahora, se han propuesto atributos observables convencionales que permiten distinguir los distintos modelos contemplados en una teoría, pero no consiguen diferenciar entre las distintas teorías porque no tienen relación directa con la propiedad definitoria.
¿Cómo recuperar la información directa de la evolución del tamaño del universo primordial? Nuestra propuesta es utilizar las señales que generaron los “relojes primordiales”. Esos relojes son cualquier tipo de partícula elemental pesada que haya estado presente en el ambiente energético del universo primordial. Los relojes forman parte de cualquier teoría, debido a que son los bloques de construcción de la teoría de unificación -cualquiera que esta sea- y oscilaban con una frecuencia regular, de modo muy parecido al péndulo de un reloj.
La siguiente analogía puede servir para explicar el funcionamiento de los relojes primordiales.
Hace más o menos un siglo, los astrónomos crearon un mapa estelar bidimensional porque no podían determinar la distancia entre las estrellas y nosotros. Semejante desconocimiento desató intensos debates sobre interrogantes como: ¿Acaso el sol se encuentra, realmente, en el centro de la galaxia? ¿Hay estrellas más allá de la Vía Láctea? Nadie pudo despejar esas incógnitas hasta que se hizo el descubrimiento de las “velas estándar”, término que designa las estrellas que tienen una brillantez absoluta conocida. Si usamos las velas estándar, resulta bastante sencillo determinar la distancia, porque cuanto más lejos se encuentren esas estrellas, más tenues serán las velas estándar asociadas. De esa manera, las velas estándar sirvieron para convertir una colección de mapas bidimensionales fusionados en un mapa tridimensional.
Relojes primordiales y sellado de tiempo
En estos momentos, nuestros conocimientos sobre la evolución del universo primordial están pasando por una etapa parecida. Al observar la distribución de CMB y de las galaxias que originaron las irregularidades primordiales, hemos obtenido una colección de instantáneas de lo que ocurrió antes del Big Bang; algo similar a una serie de cuadros en un rollo de película.
Ahora bien, no disponemos de las coordenadas de tiempo de esas instantáneas y, sin esa información, no tenemos idea de cómo proyectar la película. ¿Debemos hacerlo hacia delante o hacia atrás? ¿Acelerar la proyección o ralentizarla? Esto condujo a debates sobre temas como: ¿El universo primordial se estaba inflando o contrayendo? ¿Y con cuánta rapidez lo hacía?
Cuando se filmó la película, antes del Big Bang, los relojes primordiales dejaron un sello de tiempo en cada uno de los cuadros. Y si pudiéramos detectar esos sellos de tiempo sabríamos de qué trata la película.
Cada teoría del universo primordial propone distintos patrones para los sellos de tiempo, también conocidos como “señales de reloj”. El objetivo de nuestro artículo es predecir esos patrones detallados y la manera de buscarlos. Si encontráramos algún patrón de señales de reloj que represente un universo en contracción, sería posible refutar la totalidad de la teoría de inflación, independientemente de los modelos que podamos construir. Y, en tal caso, podríamos verificar las teorías alternativas.
La complicación es que no podemos predecir la intensidad de las señales de reloj, ya que pueden ser muy débiles y difíciles de detectar. Esto significa que tendremos que hacer nuevas búsquedas en otras partes. Ya empezamos a buscar en CMB y hemos encontrado algunas señales de reloj interesantes. Pero, para probar que son señales auténticas, necesitamos más datos de futuros proyectos observacionales sobre CMB y la distribución de galaxias. Están en proyecto numerosos experimentos que se llevarán a cabo en un par de décadas, si bien sus propósitos originales engloban otros objetivos científicos. Sin embargo, con nuestra propuesta, esos datos también podrían utilizarse para buscar una respuesta directa a la pregunta: ¿Qué sucedió, exactamente, antes del Big Bang?
El Dr. Xingang Chen es cosmólogo teórico en el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsoniano, y profesor titular del Departamento de Astronomía en la Universidad de Harvard.
Las opiniones expresadas en este artículo son exclusivas del autor.
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Publicado en cooperación con Newsweek / Published in cooperation with Newsweek
