Breve Guía de Cosmología Física moderna (III): conceptos erróneos sobre el Big Bang.

En las entradas previas de la serie, tratamos los conceptos básicos sobre la ciencia, y esbozamos brevemente los fundamentos en los que se basa la versión clásica de la teoría del Big Bang. Ahora vamos a continuar tratando de aclarar ciertas ideas erróneas pero que están muy extendidas.

El Big Bang es un evento singular que no se entiende bien aún: la teoría aún no ha alcanzado a incluir dentro de su dominio al propio Big Bang explicándolo de una forma científicamente satisfactoria. Por eso lo que tenemos son hipótesis que aspiran a integrarse como parte de la teoría para describir esa parte de la historia temprana del universo: su mismo origen. Y por la misma razón, no es de extrañar que la divulgación de este sea muy confusa.

Un nombre muy poco acertado.
El primer problema viene ya con el nombre: Big Bang, Gran Explosión. El nombre se lo puso Fred Hoyle, defensor a ultranza de la hipótesis del universo estacionario, en un programa de radio de la BBC en 1949 a modo de… cierta burla. Así que mal empezamos, porque la Gran explosión ni fue una explosión, ni fue grande (en tamaño).

Si nos mantenemos en la versión original de la teoría, no fue una explosión de ningún tipo porque el espaciotiempo no existía, ni tampoco había nada que “explotase” diseminando sus fragmentos, o su energía por aquél. Ese evento es precisamente lo que da comienzo al espaciotiempo mismo, y lo que después da lugar a la aparición del contenido del universo.

Lo más atrás que podemos ir ahora mismo es al tiempo de Planck, apenas 10^-44s después del evento inicial. Si nos atenemos a los cálculos de la teoría, lo que hoy es el universo observable (la región de 92.000 millones de años luz que queda delimitada por el horizonte de partículas),… ¡tenía entonces un tamaño de 1,62·10^-35m! Eso viene siendo la longitud de Planck, y equivale a una cienmillonésima de una billonésima parte del diámetro de un protón. Así que colosal precisamente no parece que fuera.

La frontera
El segundo problema son las preguntas sobre la frontera. El universo se expande, bien: ¿en qué? Y si hubo un principio (Big Bang), ¿qué había antes?

Estas preguntas son fruto de nuestra forma de pensar y aunque parezcan legítimas por ello, no lo son. Es decir, ambas son consecuencia de la limitación de nuestra imaginación para visualizar lo que pasó, no de la teoría.

Se suele usar el ejemplo de un globo que se hincha para ilustrar como el espacio crece separando las galaxias. En ese ejemplo, nosotros seríamos criaturas bidimensionales (2D) que viven en, no sobre, la superficie del globo, y que no sabrían pensar en términos de “arriba y abajo” (lo que sería hacia dentro del globo y hacia fuera del globo). Esa dirección les es tan desconocida a los habitantes del globo como para nosotros lo sería pensar una 4ª dimensión espacial: ¿en qué dirección ponemos una 4ª dirección espacial si el espacio ve habitamos ya está "lleno" con las tres que nos son familiares? alto (eje Z), largo (eje Y), ancho (eje X),...

Un científico 2D podría pensar, “¡ey, la tercera dimensión es el tiempo!”. Y desde nuestra perspectiva podríamos darle la razón hasta cierto punto: si colocamos todos los globos-instante uno dentro de otro como las muñecas rusas (matrioska), tendríamos un globo sólido 3D, donde la nueva dirección vista desde cada una de las superficies de los globos parecería el tiempo. Hacia “fuera” del globo o “arriba” en la superficie sería hacia el futuro, y hacia “dentro” o “abajo” sería hacia el pasado.

Resulta sugerente aplicar este razonamiento a nuestras 3D y el tiempo ¿verdad? Pero eso implicaría reconocer una 5ª dimensión de la que no tenemos constancia. Así, un hipotético habitante de un hipotético universo 4D+1 vería nuestro tiempo como otra dirección espacial más, lo que a nosotros nos es imposible imaginar siquiera (sólo alcanzamos a ver sus sombras y proyecciones, gracias a las matemáticas) porque nuestros cerebros están cincelados por la evolución para sobrevivir en un espacio 3D+1.

En todo caso nuestro científico 2D no podría imaginarlo, pero también él podría darle sentido a esta idea empleando las matemáticas, tal y como hacemos nosotros.

Sin embargo, cuando nosotros usamos el ejemplo del globo, como realmente sí sabemos lo que es un globo y percibimos 3D, inmediatamente nos preguntamos ¿y que hay dentro?, ¿y fuera? Y en ese momento el ejemplo que pretendía hacernos entender la expansión del universo pierde su objetivo de vista, creándonos serios problemas en el proceso, en forma de interrogantes. Vamos a hacerlo bien y evitemos complicaciones.

Vamos a definir el espaciotiempo como el conjunto de lugares que pueden ser ocupados, como por ejemplo un tablero de ajedrez. Así que es una cuadrícula 2D hecha de losetas y como tal podemos crear nuevas cuadrículas dentro del tablero. Para entender esto podemos imaginar por ejemplo que la unidad de referencia en el tablero (la regla de medir) es la longitud del lado de cada loseta, que es constante. Si divido una loseta en 4 iguales, y al tiempo los objetos que haya en el tablero “encogen” para mantener la misma medida, resulta que tengo una expansión local del espacio. Si esto ocurre en todas las losetas a la vez, tengo una expansión cosmológica en mi espacio 2D sin necesidad de “invadir” ningún espacio “externo”. Por tanto, no hay necesidad de que haya un espacio “fuera” de mi tablero, para que este se pueda expandir.

Como estamos imponiendo que nuestro mundo-ejemplo es 2D, no tiene sentido preguntar tampoco por un “encima” o “debajo” porque eso exige una tercera dimensión real. Pero sí podemos preguntar si tiene límites nuestra cuadrícula. Lo difícil de entender es, quizá, si la respuesta esa dicha pregunta es “finito pero ilimitado”. Es decir, que nuestra cuadrícula tenga una cantidad finita de superficie, pero carezca de frontera. Esto que parece absurdo no es para nada problemático si definimos de cierta manera la topología de nuestro espacio 2D. Mirad la siguiente imagen:

 

Obviamente nuestros habitantes del mundo 2D pueden ir en cualquier dirección sin encontrar jamás ninguna frontera. Pero es obvio que la superficie que ves en la pantalla, (y que he resaltado en rojo y morado para facilitarte la tarea), no es infinita.

Esto no es brujería. Simplemente hemos definido una propiedad topológica en ese espacio 2D: que cada punto de nuestra cuadrícula tenga siempre un punto contiguo en cada dirección posible del plano. Pero nos cuesta aceptarlo porque pensamos en 3D. Si ahora os digo que enrolléis el plano formando un tubo (bordes morados), y que juntéis los extremos del tubo (bordes rojos) para formar un toroide (un donut) ahora sí nos parece que tiene sentido. Pero aparecen de nuevo las dichosas preguntas de qué hay dentro y fuera del donut, porque hemos añadido una 3ª dimensión donde curvar el plano para visualizar su topología. Pero no es real, nos estamos haciendo trampa.

Con el tiempo pasa exactamente lo mismo. Y más en nuestro caso en el que tiempo y espacio no son independientes, sino una misma cosa. Es fácil visualizarlo recurriendo de nuevo a la topología.

Imaginemos que el espaciotiempo en expansión está formado por circunferencias concéntricas cada vez mayores (expansión) que se apilan formando una cáscara esférica, y situamos en el polo sur el origen del tiempo (Big Bang). 

La flecha del tiempo va hacia el futuro, hacia el polo norte (azul). Si nosotros recorremos el camino inverso, (rojo) hacia el pasado, acercándonos hacia el polo sur, ¿qué pasa cuando llegamos al polo sur si seguimos avanzando? No vamos a llegar a un “antes del principio”, sino que, sin cambiar la dirección de nuestra marcha, de repente nos vemos caminando hacia el norte (hacia el futuro) alejándonos del polo sur.

Si no me creéis, podéis hacer el siguiente experimento: Id a la Antártida, a la estación Polar Amundsen-Scott. Allí hay una estaca clavada en el suelo cerca del edificio principal, que marca el punto exacto del polo sur geográfico.

 Coged vuestro GPS de precisión y avanzad en línea recta hacia la estaca. El GPS os marcará rumbo sur. Seguid avanzando hasta que paséis la estaca y nada más hacerlo veréis como el GPS os marca “rumbo norte” sin que os hayáis desviado de vuestra línea recta. Sí, es un experimento caro, con muchos inconvenientes (tiempo, distancia, frío, riesgos, etc). ¡Pero nadie dijo que la ciencia fuera fácil!

También podéis hacerlo en casa, pintando una línea recta con un rotulador sobre una simple pelota de tenis pasando por su polo desde el ecuador y volver, para ver lo mismo; pero eso no es tan emocionante como ir al polo sur, ¿verdad?

El caso es que, de nuevo, nuestra forma de pensar cotidiana nos traiciona, llevándonos a considerar que podemos ir indefinidamente hacia el pasado, ¡incluso si el tiempo no existía!

Y es porque, si os fijáis, en ambos casos nos inventamos un superespacio o un supertiempo que engloban al espaciotiempo mismo de la teoría, para poder imaginar la situación que nos es cotidiana y, al hacerlo aparecen las preguntas sobre el “antes del principio” y el “más allá del borde del universo”, que como habéis visto, no tienen sentido.

Eso sí, debemos de decir que esto es lo que nos dice la hipótesis del origen del universo, dentro teoría del Big Bang clásica y que, como veremos más adelante, hay otras hipótesis planteadas que aspiran a responder a estos mismos interrogantes, de otras formas. Pero para apostar por alguna, necesitaremos en todo caso evidencias experimentales que aún no tenemos.

A vueltas con la singularidad.

El tercer problema es el de la Singularidad. Si no establecemos un límite a la compresión cuando retrocedemos hacia el pasado, (viendo como todo se acerca entre sí y el espaciotiempo se comprime), llegamos a un estado sin definición física: todo el contenido del universo y todo el espaciotiempo estaría en un punto matemático (la singularidad) sin dimensiones físicas. Esto es obviamente un problema porque además de ser difícil de explicar, nos impide conocer un montón de características del universo. Aparecen cantidades “infinitas” en los cálculos. O dicho de otra manera, la teoría pierde su capacidad descriptiva y por tanto, también la predictiva. En ese entorno no funciona.

Y podemos tomarlo de dos maneras. Podríamos aceptar que sí, que la existencia y la no existencia se funden ahí, que la lógica se rompe y que el universo pasa a un estado de pura indefinición, borrando toda su historia pasada y futura. O podemos pensar que la que se rompe es nuestra teoría, que no es capaz de funcionar en esas condiciones, con esos “inputs” de igual manera que les pasaba a las calculadoras antiguas cuando les pedias que hicieran la raíz cuadrada de -1 y aparecía el símbolo de error -ⱻ-. Aquí el símbolo que nos advierte de la probable presencia de una limitación de nuestra teoría en ese entorno es la aparición de infinitos en los cálculos. Eso es lo mismo que pasa en los agujeros negros, donde la Relatividad General también predice una singularidad (y probablemente también sea indicativo de que la TRG tampoco funciona bien allí). Es como calcular un límite y que obtengas una Indeterminación ∞/∞. Puedes hacer dos cosas: quedarte con esa respuesta y no ir más allá, o buscar otra forma de resolver el límite.