En un trabajo presentado recientemente, titulado: “A través del Big Bang: continuando las ecuaciones de Einstein más allá de una singularidad cósmica” Tim Koslowski, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares (UNAM), junto con David Sloan de la Universidad de Oxford y Flavio Mercati de la Universidad de Roma, proponen que nuestro universo pudo existir antes del punto conocido como el Big Bang. Recordemos que en las versiones más aceptadas sobre la evolución del Universo, el Big Bang es usualmente considerado como el comienzo del Universo mismo: el origen del tiempo y del espacio.

 

En el principio…

En 1960, Stephen Hawking y Roger Penrose presentaron un conjunto de teoremas matemáticos, conocidos como “teoremas de la singularidad”, con los que demostraron que el modelo del Universo temprano de Einstein siempre alcanza un punto en el pasado en el cual ya no es posible continuar [yendo hacia atrás en el tiempo]. La mayoría de los físicos tomarían a este límite hacia el pasado, a esta peculiar singularidad, como “el principio”. Sin embargo, la investigación de Koslowski, Sloan y Mercati muestra que, a pesar de que la interpretación del trabajo de Einstein hecha por Hawking y Penrose postula un límite, la realidad física no tiene por qué no continuar.

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Fig. 1. El límite postulado por Hawking y Penrose es el principio en el modelo más conocido de Big Bang: el inicio del tiempo y el espacio representan dicho límite hacia el pasado. En esta representación cosmológica, las tres dimensiones espaciales están representadas en solo dos. La dimensión temporal está representada con la flecha del tiempo en una dirección: del origen/límite/Big Bang, hacia el futuro (Imagen original: National Geographic. Adaptación para fines de este artículo: Unidad de Comunicación de la Ciencia, ICN-UNAM).

Ya hay intentos previos al trabajo del grupo de investigación de Koslowski, Sloan y Mercati para resolver el problema de los límites en el modelo de Einstein. En muchos de estos casos, los científicos han creado modelos que introducen nuevos efectos en la gravedad (como la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles), que alteran los modelos de tal forma que nunca llegan a este punto problemático. Pero la más reciente aproximación de los tres colaboradores es muy diferente, pues no intentan evadir el Big Bang, sino continuar aplicando su solución hasta lo que ocurrió antes del Big Bang. No introducen principios nuevos, y no realizan modificaciones a la teoría general de la relatividad de Einstein, sino sólo a la interpretación que se realiza sobre los objetos. Es decir, esta propuesta resuelve el dilema cuando se intenta entender el universo temprano, sin que se tenga que crear un nuevo modelo de éste. Koslowski, Sloan y Mercati reimaginan la interpretación actual del modelo de Einstein.

 

El Big Bang, un nuevo comienzo

La estrategia consiste en separar el comportamiento de las entidades de nuestro universo temprano, del mapa general en el que estas entidades tienen lugar y tiempo en dicho universo. Así, los autores encuentran que si bien el mapa llega a un límite (allí donde/cuando las entidades “habitan”), la física misma de las entidades u objetos no lo hace.

La razón técnica por la cual es posible escindir las entidades del mapa donde/cuando habitan, se centra en que las ecuaciones de Einstein desarrolladas contienen términos que por sí mismos no pueden ser calculados en el Big Bang - parámetros físicos como la densidad de energía o una curvatura que tiende a hacerse infinita. Lo único que podemos calcular son las relaciones locales entre los objetos. Es allí donde debe dirigirse la mirada.

De acuerdo al grupo de investigación, hay una propiedad notable de las ecuaciones que hasta ahora ha permanecido oculta: todos los términos que son problemáticos se vuelven irrelevantes cuando se elabora el comportamiento de cantidades que determinan cómo parece estar el universo desde adentro. Visto desde dentro, no hay modo de medir el tamaño completo del Universo. Todo lo que podemos ver son los tamaños relativos de los objetos y sus formas. Entonces, afirman los investigadores, las ecuaciones que importan son las que determinan cómo esos tamaños relativos y las formas evolucionan puramente en términos relacionales entre sí, sin nunca hacer referencia a una referencia total. Es decir, sólo se consideran las relaciones entre objetos, no un marco de referencia absoluto a todos éstos, y éstos dentro de ese marco.

Las consecuencias de esta mirada sin marco de referencia universal es sorprendente: si los cálculos se realizan sólo en términos de formas y tamaños relativos, y se calcula el tiempo hacia atrás, el Universo se va dirigiendo hacia un Big Bang aplanado, como un hot cake. Los objetos tridimensionales comienzan a tornarse bidimensionales mientras más se acercan al Big Bang. Pero cuando se va más allá del Big Bang, los objetos vuelven a hacerse tridimensionales, aunque aparecerán como vistos en un espejo: lo que está a la izquierda ahora está a la derecha, y viceversa. El Big Bang se vuelve, bajo la mirada de los tres investigadores, como un espejo.

Fig. 2 Animación que muestra cómo un cono de luz se aplana y se hace bidimensional conforme se va hacia atrás en su tiempo, pero aumenta y adquiere tridimensionalidad conforme comienza el futuro del otro universo. El lugar donde se da la bidimensionalidad total es el propio Big Bang.

De futuros y de pasados: el Big Bang como un espejo

Basados en esta observación, el grupo de trabajo formuló su interpretación en estos términos, y encontró que hay un universo bien definido “al otro lado” del Big Bang.  Del otro lado, es posible utilizar la misma interpretación de la teoría que formulase Einstein. El universo “antes” del Big Bang aparece cualitativamente similar a nuestro propio universo, con algunas diferencias interesantes: hay una inversión en lo que se conoce como quiralidad: los objetos que en nuestro universo parecen orientados a la derecha, estarán orientados a la izquierda, en el otro lado.

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Fig. 3 El Big-Bang espejo de Koslowski, Sloan y Mercati es extraño: los habitantes de uno y otro universo, cuyo límite se ubica en el espejo, nunca podríamos encontrarnos frente a nuestros reflejos, en el momento del Big Bang, para vernos unos a otros. Nunca podríamos ver a nuestro ‘yo-quiral’, porque ese “yo al-revés”, el que habita del otro lado del Big-Bang, habrá quedado muy distante en nuestro pasado. El universo donde mi ‘yo-quiral’ habita, habrá existido más allá del Big Bang. Pero lo mismo le pasaría a nuestro yo alternativo. Para éste, yo y mi universo habrá quedado en su pasado, más allá del otro lado del Big Bang. En esta representación cosmológica, las tres dimensiones espaciales están representadas en sólo dos. La dimensión temporal está representada con la flecha del tiempo en una dirección para cada universo: lo que representa el futuro para un universo, es el pasado para su universo-espejo, y viceversa. Las flechas del tiempo entre universos son opuestas entre sí. (Imagen original: National Geographic. Adaptación para fines de este artículo: Unidad de Comunicación de la Ciencia, ICN-UNAM).

 

En trabajos futuros, el grupo espera tener un mejor entendimiento de los detalles de estos ‘universos espejo’. El trabajo inicial ha demostrado que las cantidades termodinámicas como la entropía (que determina, por ejemplo, cómo funcionan los refrigeradores, o el calor que obtenemos del sol) también están invertidas. Así, alguien que vivió en este universo podría experimentar que el tiempo que corre “al otro lado del Big Bang” lo hace de forma opuesta a su tiempo propio. Desde la perspectiva de quienes viven “al otro lado del espejo”, nuestro universo sería su pasado. Estas observaciones tienen el potencial de proveer futuras perspectivas sobre la naturaleza del tiempo en nuestro universo y de su origen.

 

TEXTO: Koslowski, T. (ICN-UNAM), Sloan, D; Comunicación Univ. Oxford y Mercati, F. y Comunicación Univ. Roma; Unidad de Comunicación de la Ciencia, ICN-UNAM