Pensándolo bien...

Hace unos 13.800 millones de años, todo el cosmos consistía en una pequeña, caliente y densa bola de energía que de repente explotó. Este evento, conocido como el Big Bang, marcó el origen del universo tal como lo conocemos. En un instante, esta singularidad se expandió y se enfrió rápidamente, dando lugar a la formación de partículas subatómicas y, eventualmente, átomos. A medida que el universo continuaba expandiéndose y enfriándose, estas partículas se combinaron para formar las primeras estrellas y galaxias.

El Big Bang no fue una explosión en el espacio, sino una expansión del espacio mismo. Todo lo que conocemos —materia, energía, espacio y tiempo— surgió de esta expansión inicial. Los primeros momentos del universo estuvieron dominados por la radiación, pero a medida que se expandía, la materia comenzó a dominar.

Con el tiempo, las regiones del universo con una densidad ligeramente mayor comenzaron a atraer más materia a través de la gravedad, formando las primeras estructuras cósmicas. Estas primeras estrellas y galaxias pasaron por ciclos de nacimiento y muerte, forjando los elementos más pesados que eventualmente formarían planetas, sistemas solares y, finalmente, la vida.

Hoy en día, podemos observar el eco del Big Bang en la radiación de fondo de microondas, una tenue radiación que llena el universo y proporciona una prueba contundente de este evento inicial. La expansión del universo continúa, y su estudio nos ayuda a comprender no solo su origen, sino también su posible futuro.

Así empezó todo, de acuerdo con la historia científica estándar del Big Bang, una teoría formulada en la década de 1920 y propuesta inicialmente por el sacerdote y físico belga Georges Lemaître, quien sugirió que el universo se originó a partir de un "átomo primigenio" o "huevo cósmico" que explotó. Más tarde, Edwin Hubble proporcionó evidencia observacional de que el universo se estaba expandiendo, lo que dio un fuerte respaldo a la teoría del Big Bang.

La historia del Big Bang se ha refinado a lo largo de las décadas, sobre todo en la década de 1980, cuando muchos cosmólogos llegaron a creer que, en sus primeros momentos, el universo pasó por un breve período de expansión extraordinariamente rápido llamado inflación, teoría propuesta por Alan Guth y otros, que sugiere que una fracción de segundo después del Big Bang, el universo se expandió exponencialmente, aumentando su tamaño muchas veces en un tiempo extremadamente corto.

La inflación explica varias observaciones clave sobre el universo: 1) La homogeneidad e isotropía, ya que el universo es sorprendentemente uniforme a gran escala, con pequeñas fluctuaciones de densidad que se convirtieron en las semillas de las galaxias y estructuras cósmicas; 2) la planitud del universo, ya que explica por qué el universo parece ser geométricamente plano y 3) la ausencia de monopolos magnéticos, ya que la inflación diluye la concentración de monopolos y otras partículas exóticas predichas por algunas teorías de física de partículas. Después de este breve período inflacionario, el universo continuó expandiéndose y enfriándose, lo que permitió la formación de partículas subatómicas y, eventualmente, átomos, cuando tenía unos 380,000 años de antigüedad. Este proceso culminó en la recombinación, cuando los electrones se combinaron con los protones para formar hidrógeno neutro, haciendo el universo transparente a la radiación.

La evidencia de este evento se encuentra en la radiación cósmica de fondo en microondas (CMB, por sus siglas en inglés), descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson. Es una radiación débil que llena el universo y que es el eco fósil del Big Bang, proporcionando una "instantánea" del universo cuando tenía solo unos cientos de miles de años.

                            Imagen creada con ChatGPT con DALL-E

La teoría del Big Bang, complementada con la inflación cósmica, sigue siendo la mejor explicación de la evolución temprana del universo y continúa siendo afinada con nuevos datos obtenidos de observaciones astronómicas y experimentos cosmológicos.

La inflación explica por qué el universo parece ser tan suave y homogéneo cuando los astrónomos lo examinan a grandes escalas. Durante este período inflacionario, cualquier irregularidad o asimetría inicial en el universo se habría suavizado debido a la expansión exponencial, resultando en un universo sorprendentemente uniforme. Esta homogeneidad se observa en la radiación cósmica de fondo en microondas (CMB), que muestra una temperatura casi constante en todas las direcciones del cielo, con pequeñas fluctuaciones que corresponden a las semillas de las estructuras cósmicas actuales.

Además de explicar la uniformidad del universo, la inflación también resuelve el problema de la planitud. Sin inflación, incluso pequeñas desviaciones de la geometría plana se habrían amplificado con el tiempo, pero la inflación estira el espacio-tiempo de tal manera que cualquier curvatura inicial se vuelve insignificante, haciendo que el universo parezca plano a gran escala.

La inflación también ofrece una explicación para la ausencia de partículas exóticas como los monopolos magnéticos. Durante la inflación, estas partículas, si existieran, se habrían diluido a niveles tan bajos que apenas tendrían un impacto observable en el universo actual.

La evidencia observacional que apoya la teoría de la inflación incluye la radiación cósmica de fondo en microondas (CMB), ya que las pequeñas fluctuaciones en la CMB proporcionan una "huella digital" del universo primitivo y las propiedades estadísticas de estas fluctuaciones están en concordancia con las predicciones de la inflación. La estructura a gran escala del universo, con galaxias y cúmulos de galaxias distribuidos en una red cósmica, es consistente con las fluctuaciones de densidad generadas durante la inflación. Por otro lado, las mediciones precisas de la CMB indican que el universo es geométricamente plano, como predice la inflación.

La teoría de la inflación cósmica no solo resuelve varios problemas fundamentales de la cosmología del Big Bang, sino que también se ajusta bien a las observaciones actuales del universo. Esta teoría sigue siendo un área activa de investigación, con cosmólogos buscando pruebas adicionales y desarrollando modelos más detallados para entender mejor este enigmático período de la historia cósmica.

La teoría de la inflación cósmica explica mucho sobre el estado y la evolución temprana del universo, pero no necesariamente aborda lo que ocurrió antes de la inflación. Hay algunas teorías y especulaciones sobre lo que podría haber precedido a la inflación, como la del Universo eterno inflacionario (Inflación Eterna), que incluye una de las ideas más intrigantes como es la de la inflación eterna, propuesta por Alan Guth y otros. En este modelo, la inflación no ocurrió solo una vez, sino que es un proceso continuo en algunas regiones del espacio-tiempo. Este proceso produce infinitos "universos burbuja" como el nuestro, cada uno con sus propias leyes físicas. En este contexto, nuestro universo observable es solo una burbuja inflacionaria en un mar infinito de inflación eterna. Otra propuesta ha sido la de la pre-inflación y universos cíclicos, propuesto en algunas teorías, que sugieren que nuestro universo podría ser parte de un ciclo eterno de expansión y contracción, conocido como el modelo cíclico. En estos modelos, el universo podría experimentar un "rebote" después de una fase de contracción, iniciando un nuevo ciclo de expansión y contracción. Antes de la inflación actual, podría haber habido una fase de contracción. La teoría de cuerdas y branas, según la cual, en el contexto de la teoría de cuerdas, algunos cosmólogos han propuesto que nuestro universo es una "brana" (una especie de membrana tridimensional) en un espacio de dimensiones superiores. En el modelo de ekpirosis, por ejemplo, una colisión entre branas en un espacio de dimensiones superiores podría haber desencadenado el Big Bang y la posterior inflación. Otra posibilidad es que antes de la inflación, el universo estaba en un estado cuántico altamente fluctuante. En este escenario, las leyes de la física cuántica dominaban y el espacio-tiempo estaba en un estado de "espuma cuántica". La inflación podría haber sido desencadenada por una fluctuación cuántica que provocó una rápida expansión.

Algunos científicos y filósofos han propuesto la idea de que el universo podría haber surgido de "nada" en un sentido metafísico, aunque esta "nada" no es el vacío absoluto, sino un estado sin tiempo ni espacio definido, desde el cual surgieron las leyes físicas que conocemos. También existe la posibilidad de que nuestra comprensión actual de la física no sea suficiente para responder esta pregunta. Podrían ser necesarias nuevas teorías más allá del modelo estándar y la relatividad general para comprender el verdadero origen del universo y lo que pudo haber existido antes de la inflación. Aunque la teoría de la inflación cósmica ha avanzado nuestra comprensión del universo primitivo, la cuestión de qué vino antes, sigue siendo un área de investigación activa y especulación científica. La respuesta puede requerir nuevos descubrimientos en física teórica y observaciones cosmológicas más detalladas. Aún no se ha ideado ningún experimento que pueda observar lo que ocurrió antes de la inflación. Sin embargo, se esbozan estrategias consistentes es aplicar la teoría general de la relatividad de Einstein, que equipara la gravedad con la curvatura del espacio-tiempo

Recientemente se ha publicado un un artículo en Journal of High Energy Physics, firmado por Geshnizjani, del Instituto Perimeter, Ling, de la Universidad de Copenhague y Quintin, de la Universidad de Waterloo en el que examinan formas en las que podría extenderse el espacio-tiempo más allá del Big Bang. La idea es que lo que al principio parece ser una singularidad, un punto en el espacio-tiempo donde las descripciones matemáticas pierden su significado, de hecho, puede ser una ilusión. Se trata, pues de si hay un punto previo a la inflación en el que las leyes de la gravedad se rompen en una singularidad. El ejemplo más simple de una singularidad matemática es lo que sucede a la función 1/ x a conforme x tiende a cero. La función parte de un número x como entrada, y produce otro número, pero, a medida que x se hace más y más pequeño, 1/ x se hace más y más grande, tendiendo a infinito. Si x es cero, la función ya no está bien definida. La propuesta es que se puede confiar en ella como una descripción de la realidad.

La cuestión es soslayar la singularidad. Por ejemplo, en los modelos de los agujeros negros, en la descripción de una clase especial que son los esféricos no rotativos, hay un término en el denominador que tiende a cero en el horizonte de eventos, que es la superficie que rodea a aquel más allá de la cual no puede escapar nada. Es una singularidad física, que se soslaya con un cambio de coordenadas, como propuso Eddington. En cambio, si se trata del centro del agujero negro, por la densidad y la curvatura que tienden a infinito, no se puede eliminar la singularidad con un cambio de coordenadas. Es una singularidad de curvatura que pone de relieve que está sucediendo algo más allá de la formulación de las teorías físicas actuales.

Es decir, que las alternativas para el tratamiento del tema es dilucidar si se trata de que el inicio del Big Bang es similar a la situación en el centro de un agujero negro o se trata de una situación similar a un horizonte de eventos. La investigación referida parte de un teorema de 2003 de Alan Guth y col. Conocido por teorema BGV (iniciales de los tres proponentes Borde, Guth y Vilenkin) que establece que la inflación debe haber tenido un comienzo, que no se trata de que ha ocurrido de forma incesante en el pasado. Debe haber habido una singularidad, de la que arrancó todo. No establece que tipo de singularidad, pero refiere la singularidad. La clave es dilucidar el tipo de singularidad. Se ha propuesto un parámetro, denominado factor de escala, descrito como la distancia entre objetos que ha cambiado conforme el universo se expande en el tiempo. El Big Bang corresponde a un factor de escala cero: un punto sin dimensiones. Es este factor de escala el que se comporta de forma exponencial en el periodo inflacionario. Bajo ciertas condiciones el factor de escala producirá una singularidad de curvatura.

En un Universo incluyendo energía oscura, pero sin materia, el inicio de la inflación que se propone en el teorema BGV es una singularidad de coordenadas, que se puede prescindir de ella. Por el contrario, un universo real, incluyendo materia, si esta fuera insignificante comparada con la energía oscura, la singularidad se podría eliminar y la luz puede atravesar el límite y se podría escrudiñar más allá del límite, con lo que la historia del Universo se prolongaría más allá del Big Bang. Pero si, como piensan muchos cosmólogos, el universo original contenía más materia que energía, la singularidad que provee la teoría BGV es de curvatura física y ahí las leyes de la gravedad no tienen sentido.

Conciliar la relatividad general con la mecánica cuántica es crucial para interpretar completamente el Big Bang y otros fenómenos extremos en el universo. La relatividad general en el contexto del Big Bang nos proporciona un modelo del universo en expansión desde un estado extremadamente denso y caliente. Por otro lado, la mecánica cuántica es la base de la teoría cuántica de campos, que describe cómo las partículas elementales interactúan mediante fuerzas fundamentales. El Big Bang representa una singularidad en la relatividad general, donde las densidades y curvaturas del espacio-tiempo se vuelven infinitas y las leyes de la física tal como las conocemos dejan de ser aplicables. Para describir los primeros instantes del universo, donde las escalas son extremadamente pequeñas y las densidades y energías son extremadamente altas, se requiere una teoría que combine la relatividad general y la mecánica cuántica.

El gran desafío es desarrollar una teoría de la gravedad cuántica, que unifique estos dos marcos teóricos. La teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles son dos de los enfoques principales en la búsqueda de esta unificación. Una teoría razonable permitiría describir los primeros momentos del Big Bang de manera coherente y posiblemente resolver las singularidades que aparecen en la relatividad general.  Una teoría de la gravedad cuántica podría proporcionar respuestas a preguntas fundamentales sobre el origen y la evolución temprana del universo, como qué ocurrió exactamente en el "momento cero" del Big Bang o cómo y por qué se produjo la rápida expansión inicial del universo o cómo surgieron las estructuras a gran escala (galaxias, cúmulos de galaxias) a partir de las fluctuaciones cuánticas en el universo temprano

Conciliar la relatividad general con la mecánica cuántica es esencial no solo para una interpretación completa del Big Bang, sino también para entender otros fenómenos extremos en el universo, como los agujeros negros y la estructura del espacio-tiempo a escalas microscópicas. Esta unificación es uno de los objetivos fundamentales de la física teórica moderna y representa un paso crucial hacia una comprensión más profunda de la naturaleza del universo.

Sopa de letras: LA SINGULARIDAD DEL BIG BANG

Soluciones: DÍA MUNDIAL DEL MEDIO AMBIENTE