PREGUNTA DEL LECTOR: Tengo entendido que nada proviene de la nada. Para que algo exista, debe haber material o un componente disponible, y para que estén disponibles, debe haber algo más disponible. Ahora mi pregunta: ¿De dónde vino el material que creó el Big Bang y qué sucedió en primera instancia para crear ese material? Peter, 80 años, Australia.

“La última estrella se enfriará lentamente y se desvanecerá. Con su paso, el universo volverá a ser un vacío, sin luz ni vida ni sentido ”. Así advirtió el físico Brian Cox en la reciente serie de la BBC Universe . El desvanecimiento de esa última estrella solo será el comienzo de una época oscura e infinitamente larga. Toda la materia eventualmente será consumida por monstruosos agujeros negros, que a su vez se evaporarán en los más tenues destellos de luz. El espacio se expandirá siempre hacia afuera hasta que incluso esa luz tenue se esparza demasiado para interactuar. Cesará la actividad.

¿O lo hará? Curiosamente, algunos cosmólogos creen que un universo vacío, oscuro, frío y anterior como el que se encuentra en nuestro futuro lejano podría haber sido la fuente de nuestro propio Big Bang.

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Este artículo es parte de Life’s Big Questions
La nueva serie de The Conversation, coeditada con BBC Future, busca responder a las inquietantes preguntas de nuestros lectores sobre la vida, el amor, la muerte y el universo. Trabajamos con investigadores profesionales que han dedicado su vida a descubrir nuevas perspectivas sobre las cuestiones que dan forma a nuestras vidas.

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El primer asunto

Pero antes de llegar a eso, echemos un vistazo a cómo surgió por primera vez el “material”, la materia física. Si nuestro objetivo es explicar los orígenes de la materia estable hecha de átomos o moléculas, ciertamente no hubo nada de eso en el Big Bang, ni durante cientos de miles de años después. De hecho, tenemos una comprensión bastante detallada de cómo se formaron los primeros átomos a partir de partículas más simples una vez que las condiciones se enfriaron lo suficiente como para que la materia compleja fuera estable, y cómo estos átomos se fusionaron más tarde en elementos más pesados ​​dentro de las estrellas. Pero ese entendimiento no aborda la cuestión de si algo surgió de la nada.

Así que pensemos más atrás. Las primeras partículas de materia de larga duración de cualquier tipo fueron los protones y los neutrones, que juntos forman el núcleo atómico. Estos llegaron a existir alrededor de una diezmilésima de segundo después del Big Bang. Antes de ese punto, realmente no había material en ningún sentido familiar de la palabra. Pero la física nos permite seguir rastreando la línea de tiempo hacia atrás, hasta los procesos físicos que son anteriores a cualquier materia estable.

Esto nos lleva a la llamada » gran época unificada «. A estas alturas, estamos en el ámbito de la física especulativa, ya que no podemos producir suficiente energía en nuestros experimentos para probar el tipo de procesos que estaban sucediendo en ese momento. Pero una hipótesis plausible es que el mundo físico estaba formado por una sopa de partículas elementales de vida corta, incluidos los quarks, los componentes básicos de los protones y neutrones. Había tanto materia como «antimateria» en cantidades aproximadamente iguales : cada tipo de partícula de materia, como el quark, tiene una compañera de «imagen especular» de antimateria, que es casi idéntica a sí misma, diferenciándose sólo en un aspecto. Sin embargo, la materia y la antimateria se aniquilan en un destello de energía cuando se encuentran, lo que significa que estas partículas se crean y destruyen constantemente.

Pero, ¿cómo llegaron a existir estas partículas en primer lugar? La teoría cuántica de campos nos dice que incluso un vacío, supuestamente correspondiente al espacio-tiempo vacío, está lleno de actividad física en forma de fluctuaciones de energía. Estas fluctuaciones pueden dar lugar a la aparición de partículas que desaparecen poco después. Esto puede parecer más una rareza matemática que una física real, pero este tipo de partículas se han detectado en innumerables experimentos.

El estado de vacío del espacio-tiempo está hirviendo con partículas que se crean y destruyen constantemente, aparentemente «de la nada». Pero quizás todo esto realmente nos dice es que el vacío cuántico es (a pesar de su nombre) un algo en lugar de una nada. El filósofo David Albert ha criticado memorablemente los relatos del Big Bang que prometen obtener algo de la nada de esta manera.

Supongamos que nos preguntamos: ¿de dónde surgió el propio espacio-tiempo? Entonces podemos seguir haciendo retroceder el reloj aún más, en la verdaderamente antigua » época de Planck «, un período tan temprano en la historia del universo que nuestras mejores teorías de la física se derrumban. Esta era ocurrió solo una diezmillonésima parte de una billonésima de billonésima de billonésima de segundo después del Big Bang. En este punto, el espacio y el tiempo mismos quedaron sujetos a fluctuaciones cuánticas. Los físicos normalmente trabajan por separado con la mecánica cuántica, que rige el micromundo de partículas, y con la relatividad general, que se aplica a grandes escalas cósmicas. Pero para comprender verdaderamente la época de Planck, necesitamos una teoría completa de la gravedad cuántica, fusionando las dos.

Todavía no tenemos una teoría perfecta de la gravedad cuántica, pero hay intentos, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles . En estos intentos, el espacio y el tiempo ordinarios se ven típicamente como emergentes, como las olas en la superficie de un océano profundo. Lo que experimentamos como espacio y tiempo son el producto de procesos cuánticos que operan a un nivel microscópico más profundo, procesos que no tienen mucho sentido para nosotros como criaturas arraigadas en el mundo macroscópico.

En la época de Planck, nuestra comprensión ordinaria del espacio y el tiempo se rompe, por lo que tampoco podemos confiar en nuestra comprensión ordinaria de causa y efecto. A pesar de esto, todas las teorías candidatas a la gravedad cuántica describen algo físico que estaba sucediendo en la época de Planck, algún precursor cuántico del espacio y el tiempo ordinarios. Pero, ¿de dónde vino eso ?

Incluso si la causalidad ya no se aplica de manera ordinaria, aún podría ser posible explicar un componente del universo de la época de Planck en términos de otro. Desafortunadamente, a estas alturas incluso nuestra mejor física falla por completo a la hora de proporcionar respuestas. Hasta que no avancemos más hacia una “teoría del todo”, no podremos dar una respuesta definitiva. Lo máximo que podemos decir con confianza en esta etapa es que la física hasta ahora no ha encontrado casos confirmados de algo que surja de la nada.

Ciclos de casi nada

Para responder verdaderamente a la pregunta de cómo podría surgir algo de la nada, necesitaríamos explicar el estado cuántico de todo el universo al comienzo de la época de Planck. Todos los intentos de hacer esto siguen siendo altamente especulativos. Algunos de ellos apelan a fuerzas sobrenaturales como un diseñador . Pero otras explicaciones candidatas permanecen dentro del ámbito de la física, como un multiverso, que contiene un número infinito de universos paralelos, o modelos cíclicos del universo, que nacen y renacen de nuevo.

El físico Roger Penrose, ganador del Premio Nobel de 2020, ha propuesto un modelo intrigante pero controvertido para un universo cíclico denominado «cosmología cíclica conforme». Penrose se inspiró en una conexión matemática interesante entre un estado del universo muy caliente, denso y pequeño, como lo fue en el Big Bang, y un estado del universo extremadamente frío, vacío y expandido, como lo será en el futuro lejano. . Su teoría radical para explicar esta correspondencia es que esos estados se vuelven matemáticamente idénticos cuando se llevan a sus límites. Por paradójico que parezca, una ausencia total de materia podría haber logrado dar lugar a toda la materia que vemos a nuestro alrededor en nuestro universo.

Desde este punto de vista, el Big Bang surge de casi nada. Eso es lo que queda cuando toda la materia de un universo se ha consumido en agujeros negros, que a su vez se han evaporado en fotones, perdidos en un vacío. Así, todo el universo surge de algo que, visto desde otra perspectiva física, está tan cerca como uno puede llegar a nada en absoluto. Pero esa nada sigue siendo una especie de algo. Sigue siendo un universo físico, por vacío que sea.

¿Cómo puede el mismo estado ser un universo frío y vacío desde una perspectiva y un universo denso y caliente desde otra? La respuesta se encuentra en un complejo procedimiento matemático llamado «reescalado conforme», una transformación geométrica que en efecto altera el tamaño de un objeto pero deja su forma sin cambios.

Penrose mostró cómo el estado denso frío y el estado denso caliente podrían relacionarse mediante tal cambio de escala para que coincidan con las formas de sus espaciotiempos, aunque no con sus tamaños. Es cierto que es difícil comprender cómo dos objetos pueden ser idénticos de esta manera cuando tienen diferentes tamaños, pero Penrose sostiene que el tamaño como concepto deja de tener sentido en entornos físicos tan extremos.

En la cosmología cíclica conforme, la dirección de la explicación va de viejo y frío a joven y caliente: el estado denso caliente existe debido al estado frío y vacío. Pero este «porque» no es el familiar, de una causa seguida en el tiempo por su efecto. No es solo el tamaño lo que deja de ser relevante en estos estados extremos: el tiempo también lo hace. El estado denso frío y el estado denso caliente están ubicados en diferentes líneas de tiempo. El estado frío y vacío continuaría para siempre desde la perspectiva de un observador en su propia geometría temporal, pero el estado denso y caliente al que da lugar efectivamente habita en una nueva línea de tiempo por sí misma.

Puede ser útil comprender el estado denso caliente producido a partir del estado vacío frío de alguna manera no causal. Quizás deberíamos decir que el estado denso y caliente surge del estado frío y vacío , o se basa en él o se da cuenta de él . Se trata de ideas distintivamente metafísicas que los filósofos de la ciencia han explorado extensamente, especialmente en el contexto de la gravedad cuántica, donde la causa y el efecto ordinarios parecen desmoronarse. En los límites de nuestro conocimiento, la física y la filosofía se vuelven difíciles de desenredar.

¿Evidencia experimental?

La cosmología cíclica conformal ofrece algunas respuestas detalladas, aunque especulativas, a la pregunta de dónde vino nuestro Big Bang. Pero incluso si la visión de Penrose está justificada por el progreso futuro de la cosmología, podríamos pensar que todavía no hubiéramos respondido a una pregunta filosófica más profunda, una pregunta sobre el origen de la realidad física. ¿Cómo surgió todo el sistema de ciclos? Entonces finalmente terminamos con la pregunta pura de por qué hay algo en lugar de nada, una de las preguntas más importantes de la metafísica.

Pero nuestro enfoque aquí está en explicaciones que permanecen dentro del ámbito de la física. Hay tres amplias opciones para la cuestión más profunda de cómo comenzaron los ciclos. No podría tener ninguna explicación física. O podría haber ciclos que se repiten interminablemente, cada uno un universo por derecho propio, con el estado cuántico inicial de cada universo explicado por alguna característica del universo anterior. O podría haber un solo ciclo, y un solo universo repetido, con el comienzo de ese ciclo explicado por alguna característica de su propio final. Los dos últimos enfoques evitan la necesidad de eventos no causados, y esto les da un atractivo distintivo. La física no dejaría nada sin explicar.

Penrose prevé una secuencia de nuevos ciclos interminables por razones en parte vinculadas a su propia interpretación preferida de la teoría cuántica. En mecánica cuántica, un sistema físico existe en una superposición de muchos estados diferentes al mismo tiempo, y solo «elige uno» al azar, cuando lo medimos. Para Penrose, cada ciclo implica eventos cuánticos aleatorios que resultan de una manera diferente, lo que significa que cada ciclo será diferente de los anteriores y posteriores. Esta es realmente una buena noticia para los físicos experimentales, porque podría permitirnos vislumbrar el viejo universo que dio origen al nuestro a través de débiles rastros, o anomalías, en la radiación sobrante del Big Bang vista por el satélite Planck.

Penrose y sus colaboradores creen que ya pueden haber detectado estos rastros, atribuyendo patrones en los datos de Planck a la radiación de los agujeros negros supermasivos en el universo anterior. Sin embargo, sus supuestas observaciones han sido impugnadas por otros físicos y el jurado sigue deliberando.

Nuevos ciclos infinitos son clave para la propia visión de Penrose. Pero existe una forma natural de convertir la cosmología cíclica conforme de una forma de ciclos múltiples a una de un ciclo. Entonces, la realidad física consiste en un solo ciclo a través del Big Bang hasta un estado de vacío máximo en el futuro lejano, y luego alrededor de nuevo hasta el mismo Big Bang, dando lugar al mismo universo de nuevo.

Esta última posibilidad es consistente con otra interpretación de la mecánica cuántica, denominada interpretación de los muchos mundos. La interpretación de muchos mundos nos dice que cada vez que medimos un sistema que está en superposición, esta medición no selecciona un estado al azar. En cambio, el resultado de la medición que vemos es solo una posibilidad: la que se desarrolla en nuestro propio universo. Los otros resultados de medición se desarrollan en otros universos en un multiverso, efectivamente separados del nuestro. Entonces, no importa cuán pequeña sea la probabilidad de que ocurra algo, si tiene una probabilidad distinta de cero, entonces ocurre en algún mundo cuántico paralelo. Hay personas como tú en otros mundos que han ganado la lotería, o han sido arrastradas a las nubes por un tifón extraño, o se han encendido espontáneamente, o han hecho las tres cosas simultáneamente.

Algunas personas creen que esos universos paralelos también pueden ser observables en los datos cosmológicos, como huellas causadas por otro universo que choca con el nuestro.

La teoría cuántica de muchos mundos da un nuevo giro a la cosmología cíclica conforme, aunque no uno con el que Penrose esté de acuerdo. Nuestro Big Bang podría ser el renacimiento de un solo multiverso cuántico, que contiene infinitos universos diferentes, todos juntos. Todo lo posible sucede, luego sucede una y otra vez.

Un mito antiguo

Para un filósofo de la ciencia, la visión de Penrose es fascinante. Abre nuevas posibilidades para explicar el Big Bang, llevando nuestras explicaciones más allá de la causa y el efecto ordinarios. Por lo tanto, es un gran caso de prueba para explorar las diferentes formas en que la física puede explicar nuestro mundo. Merece más atención por parte de los filósofos.

Para un amante de los mitos, la visión de Penrose es hermosa. En la forma multiciclo preferida de Penrose, promete un sinfín de nuevos mundos nacidos de las cenizas de sus antepasados. En su forma de un ciclo, es una sorprendente re-invocación moderna de la antigua idea del ouroboros, o serpiente del mundo. En la mitología nórdica, la serpiente Jörmungandr es hija de Loki, un hábil embaucador y el gigante Angrboda. Jörmungandr consume su propia cola y el círculo creado sostiene el equilibrio del mundo. Pero el mito de ouroboros se ha documentado en todo el mundo, incluso desde el antiguo Egipto.

El ouroboros del único universo cíclico es realmente majestuoso. Contiene dentro de su vientre nuestro propio universo, así como cada uno de los posibles universos alternativos extraños y maravillosos permitidos por la física cuántica, y en el punto donde su cabeza se encuentra con su cola, está completamente vacío pero también corriendo con energía a temperaturas de cien mil millones de billones de billones de grados Celsius. Incluso Loki, el cambiaformas, estaría impresionado.

https://theconversation.com/how-could-the-big-bang-arise-from-nothing-171986