El origen del Universo

La cosmología es el estudio del Universo como un todo. Con base en el principio cosmológico se ha podido describir de una manera adecuada diferentes estructuras cósmicas, como el origen de los elementos primordiales; la Radiación de Fondo del Universo (CMB por sus siglas en inglés); la estructura a gran escala del Universo; la formación de galaxias; la dinámica estelar. Sin embargo, hay preguntas abiertas que faltan aclararse como el dilema de la materia oscura y energía oscura, las cuales componen más del 95% de la materia del Universo y que son hasta hoy desconocidas [1].

Existe una pregunta muy antigua a la cual la humanidad aún no encuentra una respuesta satisfactoria: saber de dónde venimos y a dónde vamos. Con las observaciones recientes que diferentes telescopios han realizado, puede concluirse que el Universo está en una expansión acelerada; cada galaxia del Universo se aleja una de otra; la energía oscura es la responsable de esta expansión. Si pudiéramos regresar la cinta de la historia del Universo hasta el origen, veríamos que todo estuvo concentrado en un punto, al que comúnmente conocemos como Big Bang.

Con esta descripción parecería que existe un centro del Universo, un lugar preferencial en donde tuvo lugar este Big Bang. No es así, pues dicha expansión se produce en todas direcciones, lo que implica que este Big Bang tuvo lugar en todos lados, al mismo tiempo. A esta característica de no tener una dirección privilegiada, la llamamos isotropía. Si observamos en la profundidad del espacio, podemos notar que no hay una diferencia a grandes escalas; el Universo a grandes escalas se ve igual en todas partes. A esta propiedad se le conoce como homogeneidad. A estas dos características que el Universo presenta, homogeneidad e isotropía, se le conoce como principio cosmológico.

La idea de que todo surgió de una gran explosión o Big Bang, más que en un punto, debió haber sido en una región del Universo, las observaciones como el CMB, las oscilaciones acústicas de bariones, y otras, es también consistente con la cosmología, la cual se basa en una descripción geométrica del espacio-tiempo, es decir, de la relatividad general [2-4]. Esta nos da las leyes fundamentales con la que tratamos de explicar el universo. Estas leyes consisten en observar que la fuerza de gravedad es producto de la curvatura del espacio-tiempo, es decir, la presencia de un cuerpo o energía en el universo curva el espacio y el tiempo. Entonces los cuerpos se mueven en este espacio curvado, dando la sensación de que existe una fuerza que los mueve. Por ejemplo, el Sol curva su espacio alrededor, cuando pasa un rayo de luz cerca de él, este rayo viajará en la trayectoria más corta que este espacio nos da. Este fenómeno se vio por primera vez en 1919 al observar en un eclipse de Sol, nos mostró cómo las estrellas se podían ver a pesar de estar detrás del Sol. Este fenómeno ahora está muy bien estudiado. Todas las predicciones de la relatividad general han sido comprobadas una a una, hasta las más increibles, como que ahora hemos detectado las ondas gravitacionales, la existencia de los hoyos negros, que hemos fotografiado con telescopios en todo el mundo. En este respecto, México es uno de los principales participantes en tomar estas fotografías. Es por eso que hoy se habla de las leyes de la relatividad general, ya no más de la teoría de la relatividad general.

Sin embargo, las leyes de la relatividad general presentan algunos problemas; en este marco teórico en la región del Big Bang existen varias cantidades que divergen, como son la densidad de la materia y la curvatura, por mencionar algunas. Este es un problema teórico de la descripción, ya que el hecho que aparezcan cantidades infinitas nos dice que algo debe estar mal; estas cantidades no deberían existir en una teoría realista. A esta región con varias cantidades que divergen, se le conoce como una singularidad clásica.

Una posible salida a este laberinto podría ser una descripción cuántica de la gravedad, es decir, tener un espacio-tiempo discreto, en analogía a lo sucedido con la mecánica clásica de Newton, en la cual existían singularidades que fueron resueltas con la creación de la teoría cuántica. Un ejemplo de ello fue el átomo; si lo modelamos como un sistema planetario con el electrón orbitando a un núcleo, este debería radiar, perdería energía y colapsaría; además, la cantidad de energía en este proceso sería infinita. Esta discrepancia fue resuelta con una descripción cuántica de la materia que incluye el principio de exclusión de Pauli y el principio de incertidumbre de Heisenberg. El primero afirma que dos fermiones no pueden estar en el mismo estado cuántico en un sistema, es decir, algo de ellos debe ser diferente para estar juntos; el segundo se refiere a que no es posible conocer la velocidad y la posición de una partícula cuántica al mismo tiempo. Con esta descripción cuántica de la materia,  el átomo es estable, y se resuelven las singularidades clásicas.

Si tuviéramos una descripción cuántica del espacio-tiempo, la singularidad del Big Bang sería resuelta. De hecho, existen teorías tentativas que proponen una descripción discreta del espacio-tiempo, como la teoría de gravedad cuántica por lazos o bucles (LQG) [5-8]. Esta teoría se basa en la relatividad general, dando una descripción cuántica del espacio-tiempo. Una de las aplicaciones que tiene este nuevo marco teórico, es un modelo cosmológico, donde es posible ver qué efecto tiene la naturaleza cuántica de la gravedad. Uno de los resultados más exitosos de esta teoría es precisamente la remoción de la singularidad clásica del Big Bang por un rebote cuántico [9-12].

El rebote cuántico interpola entre dos ramas del Universo, una de ellas se contrae hasta una región pequeña, pero no-cero, a diferencia de la cosmología estándar, y después se expande dando origen a una nueva rama. Esto debido a que la cosmología cuántica por lazos (LQC), la cual se basa en LQG, donde el área y el volumen tienen un valor mínimo al ser cuantizados. En este formalismo las nociones de espacio y tiempo no existen como en la teoría clásica pero emergen de objetos más fundamentales y discretos. Esto es como si viéramos al microscopio los filamentos y estructuras más complejas de una tela que en principio parece suave. Este rebote reemplaza la singularidad clásica, siendo ahora una región muy densa y muy caliente que dio origen a esta rama del Universo, pero destruyó los vestigios de la rama anterior. Esta formulación alternativa es consistente en las regiones cercanas al Big Bang, y aunque por ahora es sólo una propuesta y la teoría sigue en construcción, necesitamos cambiar nuestra visión para descubrir y resolver los enigmas que tiene la teoría estándar, para entender mejor el origen del Universo.

Referencias