Abundan los misterios sobre el universo, desde su principio hasta su final
Toda la materia y la energía en nuestro cosmos parecen estar gobernadas por leyes fundamentales de la física. Estas reglas se aplican desde la más pequeña escala subatómica hasta la vasta extensión del espacio. Pero eso no siempre fue cierto. Las primeras eras de la historia cósmica fueron fugazmente cortas y sorprendentemente anárquicas.
La ley de la gravedad fue lo primero. La física sugiere que alrededor de 10-43 Segundo después del Big Bang, la gravedad surgió como su propia fuerza distinta. Una fracción de segundo después, la gran fuerza se hizo presente. (Esa fuerza algún día mantendría juntas partículas como protones y neutrones).
En este punto, el universo aún sería irreconocible para nosotros. La luz aún no existía. Tampoco importaba. No había ninguno de los componentes básicos necesarios para formar átomos y moléculas. Vendrían más tarde. Pero este período fue activo. En una pequeña fracción de este primer segundo, el cosmos crecería unos 100 billones de billones de veces. ¡Uf!
Pronto la fuerza nuclear débil se afianzó, gobernando las formas complejas en que la materia y la energía eventualmente interactuarían. Finalmente, surgió la fuerza electromagnética. Esto sentó las bases finales para las partículas cargadas y el magnetismo. Las partículas llamadas bosones “portan” estas fuerzas. Eventualmente, este primer segundo asombrosamente activo de la historia cósmica llegó a su fin.
En los siguientes segundos, comenzaron a formarse partículas subatómicas. Entonces la materia y la energía se volvieron distintas. Gobernando sus interacciones estaban esas nuevas cuatro fuerzas de la física.
Cuatro fuerzas que gobiernan todo el universo pueden sonar simples. Pero todavía hay mucho sobre la naturaleza de nuestro universo que los científicos no saben. Cómo las fuerzas gobernaron el universo primitivo, por ejemplo. O cuál será el destino final del universo. Incluso si nuestro universo es el único que existe. Pero los cosmólogos están proponiendo algunas respuestas creativas.
Gravedad cuántica
La mecánica cuántica son las leyes de la física que describen principalmente cómo funcionan las cosas a escala subatómica, es decir, cuando se habla de cosas más pequeñas que los átomos. La relatividad general explica cómo la gravedad gobierna las interacciones entre las estructuras más grandes del universo. Tales estructuras «grandes» van desde agujeros negros y galaxias hasta personas y granos de arena.
Tanto la mecánica cuántica como la relatividad general funcionan muy bien dentro de sus propias escalas. Pero a veces, los científicos quieren unir los dos. Por ejemplo, cuando se habla de enormes cantidades de masa y energía empaquetadas en un espacio muy pequeño. Esto puede surgir cuando los científicos intentan describir cómo evolucionó el universo en sus primeros momentos después del Big Bang, cuando todo estaba cobrando existencia. De hecho, suceden cosas extrañas cuando los investigadores intentan mezclar las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad.
Aquí está el problema. La mecánica cuántica dice que las partículas subatómicas a veces actúan como ondas y otras veces como partículas. Hay probabilidad, oportunidad, involucrada en la forma en que interactúan.
Sin embargo, las leyes que describen la materia a mayor escala, como la relatividad, rechazan esa noción de probabilidad. En este ámbito de la física, es posible predecir exactamente cómo se comportará la materia en función de las leyes físicas. Esas predicciones son confiables y repetibles. No dejan nada al azar.
Entonces, cuando los físicos tienen que encontrar una manera de combinar la naturaleza aleatoria de la mecánica cuántica con la certeza de la relatividad, las matemáticas para explicar lo que está sucediendo comienzan a desmoronarse. Las respuestas a esas matemáticas se vuelven tonterías.
Es posible distinguir qué conjunto de reglas se aplica dónde (los objetos grandes se rigen por la relatividad y los pequeños por la mecánica cuántica) hasta una pequeña fracción de segundo después del Big Bang. Para describir la materia antes de eso, se necesitará una nueva teoría. Con suerte, esa nueva teoría, conocida como gravedad cuántica, unirá la mecánica cuántica y la relatividad general.
“Hay muy, muy, muy, muy pocos escenarios en los que se necesita una teoría de la gravedad cuántica”, señala Adrienne Erickcek. «¡Eso es bueno, porque no tenemos uno!» Erickcek es astrónomo de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.
«Hay muy pocos escenarios en los que tienes suficiente masa para que la gravedad sea importante en un espacio lo suficientemente pequeño como para que la mecánica cuántica sea importante», explica Erickcek. “¡Pero el Big Bang es donde lo necesitamos!”
¿Qué universo somos?
No tener una teoría para explicar la gravedad cuántica no ha impedido que los científicos intenten imaginar cómo podrían haber evolucionado las cosas poco después del Big Bang. Aquí hay un par de posibilidades.
Un universo de burbujas: Inflación es el nombre que se le da a la expansión explosiva del universo en ese primer segundo después del Big Bang. Una idea de por qué sucedió eso es que nuestro universo es una burbuja inflada en una espuma de universos de burbujas en expansión.
Si el universo es solo una burbuja entre muchas, eso podría ayudar a resolver otro misterio cósmico: ¿Por qué las leyes de la física son como son? ¿Por qué las fuerzas fundamentales, como la gravedad, son tan fuertes como lo son? ¿Por qué las diferentes partículas, como los protones, pesan tanto?
Si nuestro universo es solo una burbuja y hay más burbujas más allá de la nuestra, entonces cada burbuja podría tener sus propias leyes físicas. Nuestro universo podría tener la física que tiene simplemente por la forma en que se creó nuestra burbuja al principio. Podría haber evolucionado con la misma facilidad con una física totalmente diferente, como lo hicieron otras burbujas.
Un universo de cuerdas: Dentro de cualquier pieza de materia hay una gran cantidad de átomos. Dentro de cada átomo hay una colección de partículas subatómicas. Esos incluyen protones y neutrones. Componiendo esas partículas son los quarks.
La teoría de cuerdas sugiere que existen pequeñas «cuerdas» unidimensionales dentro de los quarks. Estas cuerdas pueden vibrar a diferentes frecuencias. Esto es similar a la forma en que una cuerda de guitarra pulsada puede generar diferentes notas.
Eva Silverstein es una física que trabaja en el Instituto de Física Teórica de Stanford en California. Ella dice que lo emocionante de la teoría de cuerdas es que podría unir la materia y la energía tanto en las escalas más pequeñas (cuánticas) como en las escalas más grandes (relatividad general). La teoría de cuerdas podría algún día explicar cómo el Big Bang hizo que muchas de nuestras leyes fundamentales de la física se desarrollaran como lo hicieron.
El destino del universo
El Big Bang describe lo que probablemente sucedió en la historia más temprana de nuestro universo. Hoy en día, el universo todavía se está expandiendo. Pero, ¿cómo podría diferir su tasa de expansión en el futuro?
Durante un tiempo, los científicos pensaron que el universo eventualmente podría dejar de expandirse. Pensaron que la atracción gravitacional de toda la masa del cosmos podría hacer que el universo colapsara sobre sí mismo. (Esto sería similar a una pelota de béisbol lanzada al aire, solo para volver a caer rápidamente). Tal Big Crunch podría incluso emitir suficiente energía para provocar otro Big Bang. Esta teoría a veces se ha llamado el «universo oscilante».
Pero datos recientes sugieren que este no es el destino de nuestro universo. Las observaciones han comenzado a inclinar la balanza hacia un universo en constante aceleración. En este caso, es como si la pelota que lanzaste al aire no solo siguiera subiendo, sino que siguiera más rápido como lo hace.
Esto parece resolver el problema de si la expansión cósmica terminará. Al mismo tiempo, los científicos no pueden explicar del todo por qué la expansión del universo se está acelerando.
Por ahora, los científicos intentan explicar lo que ven con una idea llamada energía oscura. Se cree que constituye casi las siete décimas partes del universo.
Los científicos pueden ver qué lo hace. Las observaciones del telescopio muestran galaxias que se alejan unas de otras a velocidades cada vez más rápidas a medida que se alejan. Pero qué energía oscura es también sigue siendo un misterio.
Una cosa sobre la energía oscura es clara. Su existencia hace imposible un universo oscilante. Pero casi todo lo demás sobre este misterioso fenómeno sigue siendo desconocido.
El universo tiene casi 14 mil millones de años. La humanidad solo lo ha mirado a través de telescopios durante los últimos 400 años. Tenemos un largo camino por recorrer en la búsqueda de explicar cómo funciona el cosmos. Pero al igual que el increíble crecimiento del propio universo, la gente ha recorrido un largo camino en muy poco tiempo.
