Una propuesta escandalosa sobre un universo sin principio ni fin

Paul Tod se centra en la propuesta radical de Sir Roger Penrose que establece que la historia del cosmos es una sucesión infinita de ¨eones¨ cada uno con su Big Bang y una expansión acelerada. Nos encontramos ante una propuesta de una historia del universo sin principio ni fin y consistente con el aumento continuo de la entropía.

La cosmología cíclica conforme, propuesta por Penrose, es una propuesta bastante radical que describe nuestro universo como uno más, dentro de una sucesión infinita de universos, que llama “eones”, y donde el principio y el final de cada uno de estos eones están pegados al anterior y al siguiente. ¿Podría explicar los principales detalles de este modelo?

La clave de esta posibilidad se encuentra en pensar en las diferentes formas en las que se puede etiquetar el tiempo, es decir las diferentes coordenadas temporales. Pensemos en una regla con marcas en centímetros. Claramente sólo hay un centímetro entre la marca ¨4¨ y la marca ¨5¨, pero cabría imaginar que nos movemos a lo largo de la regla a velocidad decreciente. Salimos de la marca ¨4¨ a tiempo cero, pero tardamos un tiempo infinito hasta llegar a ¨5¨. En este caso, tardamos una eternidad para llegar a ¨5¨ y la marca ¨5¨ ocupa el lugar del infinito en el futuro. Sin embargo, podríamos acelerar el tiempo de nuevo, de manera que en otra coordenada temporal llegásemos en un tiempo finito a ¨5¨ y luego podríamos continuar hasta ¨6¨. Asumimos entonces que en física se dauna elección correcta del tiempo, que es lo que en relatividad espacial llamamos ¨tiempo propio¨ y que es el tiempo que miden los relojes, con independencia de que sean mecánicos, impulsados por péndulos, por muelles o atómicos. En ese tiempo, el Big Bang está a 14 mil millones de años en el pasado y hay un tiempo infinito hacia el futuro. Parte de la idea de la cosmología cíclica conforme es que se puede hacer un cambio similar en la coordenada temporal, desde el tiempo propio hasta el tiempo conforme y entonces el universo va a tener un final en el tiempo conforme finito (pero en el tiempo propio infinito) en un sentido similar al que he ejemplificado con la regla.

Una de las consecuencias de las ecuaciones de Einstein sobre la relatividad general es que en presencia de una constante cosmológica positiva (que de hecho, tenemos) se puede añadir ese final como un límitefuturo que se encuentra a un tiempo propio infinito, pero en un tiempo conforme finito. He descrito este proceso como un cambio en la coordenada temporal, pero también se puede hacer de modo similar a cómo expliqué a la tercera pregunta. Imaginábamosahí que nos aproximábamos al Big Bang y agrandábamos el volumen para contrarrestar el hecho de que el universo está encogiéndose.

Cuando vamos hacia el futuro, los volúmenes son cada vez más grandes, así que podemos invertir el proceso, esto es, podemos darle la vuelta al telescopio,cambiar de escala el volumen y bajarlo hasta alcanzar un valor constante.

Cuando unimos estas dos ideas, la de que el universo tiene una frontera inicial en la que los volúmenes han sido reescalados hacia arriba y la de que hay una frontera final, donde se ha dado una reescalación hacia abajo, nos encontramos con otra consecuencia de las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein, según la cual,dada una constante cosmológica positiva, la curvatura de Weyl es ser automáticamente cero en esta frontera futura.

Entonces, usando las mismas palabras de Penrose, esta ¨propuesta escandalosa¨ es que se deberían juntar cada frontera de esos universos. Si los llamamos ¨eones sucesivos¨, entonces el Big Bang sería un eón que, al aumentarse su volumen, se pegaría a la frontera final del eón anterior que, a su vez, ha disminuido en volumen. La ventaja inmediata de esta propuesta es que la curvatura de Weyl se desvanece en las fronteras límite del futuro, de tal modo que para que este proceso de unión entre eones funcione, tiene que desaparecer en el Big Bang del eón siguiente. La hipótesis de la curvatura de Weyl se convierte entonces en una consecuencia del buen funcionamiento de este modelo, es una consecuencia de cosmología cíclica conforme.

El nombre de este modelo(¨cosmología cíclica conforme¨) se debe a que lo que es geométrico es cíclico (no necesariamente en un sentido periódico, como en un péndulo, sino cíclico como el hecho de la sucesión de días diferentes: siempre habrá un mañana diferente a hoy).Y en este caso, lo cíclico es el espacio-tiempo reescalado, aumentado en una frontera y reducida en la otra. En matemáticas, esta reescalación se denomina “reescalación conforme” y supone que el espacio-tiempo conforme es el que es cíclico. El espacio-tiempo físico o sin reescalar transcurre desde lo infinitamente pequeño en el comienzo hasta lo infinitamente grande al final, y luego vuelve a ser infinitamente pequeño en el eón siguiente.

Las cosmologías cíclicas no son nuevas, ¿cuál sería la principal propiedad que hace que esta propuesta sea diferente, más plausible e interesante que las anteriores?

Otras cosmologías cíclicas han propuesto generalmente una fase de expansión, similar a la que proponemos aquí, pero entendían que ésta se desacelera e invierte y es seguida por una fase de contracción que culmina en un ¨Big Crunch¨. Sí que hay modelos cosmológicos que presentan esta propiedad, pero para convertirlos en cíclicos tienen que mantener las hipótesis de una fase de rebote y otra de expansión. Sin embargo, hay argumentos entrópicos que rebaten este modelo, ya que si la entropía aumenta en cada ciclo ¿no tendría que ser infinita actualmente? Entonces, estos modelos son muy diferentes a la cosmología cíclica conforme ya que, incluso si en los inicios la curvatura de Weyl es finita o nula, al final, cuando toda colapsa eso no va a ser así. La singularidad final tendrá bordes muy irregulares donde se habrán formado agujeros negros y sería caótica e infinitamente oscilante, como explicamos anteriormente en referencia a la singularidad de la curvatura de Weyl. Es difícil de ver cómo podría darse este proceso con un rebote suave.

También existen modelos de rebote más recientesque presentan dos o más escalas, de modo similar a lo que se acaba de plantear. Y hay quien mantiene que esos modelos tienen rebotes no singulares. Considero que el modelo de la cosmología cíclica conforme de Penrose es el único que es conformemente cíclico, mientras que el volumen físico va aumentando y luego disminuyendo.

Se supone que al final de cada universo la mayor partede la materia ha sido absorbida por un agujero negro. Como sabemos por observaciones recientes cuando los agujeros negros colisionan emiten una enorme cantidad de radiación gravitacional en forma de ondas. Penrose predijo que esa radiación emitida en un eón previo podría ser detectada en nuestro eón en la radiación de fondo de microondasen forma de círculos concéntricos. ¿Podrías explicar algo más esta cuestión?

Parte de las consideraciones de Penrose sobre la cosmología cíclica conforme es que, después de una cantidad inimaginable grande de tiempo propio (que, cabe recordar, es infinito) no qued nada en el universo, solo las diferentes formas de radiación y algunos agujeros negros enormes. Lo único que ocurre, prácticamente, son lascolisiones entre agujeros negros que pueden emitir cantidades ingentes de explosiones energéticas de radiación gravitacional. Estas ondas se expanden entonces en forma de esferas delgadas que pasan al próximo eón y producen una perturbación esférica en la la radiación de fondo de microondas. Nuestro propio ¨cielo¨ se encuentra con la fuente de la radiación de fondo en una esfera muy grande y la intersección entre esas dos esferas es el círculo de la perturbación de la radiación de fondo en nuestro cielo. Si la colisión original fue un gran agujero negro que cayó dentro de otro gran agujero negro, entonces es posible que un segundo o tercer agujero negro caiga en un nuevo agujero negro muy grande. Cada uno de estos eventosda lugar a un impulso emergente de radiación gravitacional, que pasa a través del próximo eón, y origina una serie de círculos concéntricos de perturbaciones en nuestro cielo.

Penrose, Gurzadyan y algunos otros autoresafirman haber encontrado, de hecho, estos círculos; mientras que otros consideran que no hay observaciones estadísticamente relevantes al respecto. ¿Podrías explicar cuáles son las diferencuas entre estos criterios?, ¿Existen nuevos datos que podrían resolver la controversia?

Respuesta: La búsqueda de esos círculoses conceptualmente clara: hay que cogerun mapa de la la radiación de fondo, elegir un conjunto de centros para cubrir el cielo, así comoun conjunto de radios y el espesor del anillo, luego hay que elegir un criterio sobre en qué consiste una perturbación en la la radiación de fondo y hacer una búsqueda por el ordenador. Penrose y Gurzadyan buscaron círculos (estrictamente hablando, “anillos”) alrededor de los cuales la varianza estadística de la distribución de la temperatura de la la radiación de fondo fuese baja, de modo muy anómalo, en relación acierto umbral.

Y encontraron, de hecho,círculos y hasta conjuntos de círculos concéntricos con estas propiedades, pero ahora tienen que argumentar que no se trata de un descubrimiento azaroso, sino que es estadísticamente significante. Para ello,deben generar otras versiones de la radiación de fondo con las mismas propiedades estadísticas que la radiación de fondo actual (recordemos que el universo sólo se da una vez) y rastrearlas en busca decírculos. Si este cielo ficticio presenta una distribución similar de círculos a la delcielo real, entonces los círculos ocurren por azar, no son reales.

La mayor parte de desacuerdos surgen en la psoibilidad degenerar esos cielos ficticios de control o copias para compararel cielo de la la radiación de fondo. Tras el proceso de comparación, Penrose y Gurzadyan mantienen quelos círculos son estadísticamente significantes, pero otros grupos de científicos han encontrado estos mismos círculos y mantienen, sin embargo, que no son estadísticamente significantes. Recientemente, Penrose y Gurzadyan han concentrado su atención en conjuntos concéntricos y en una distribución sorprendentemente inhomogénea de conjuntos de centrosde cuatro o más círculos. Por otra parte, un grupo de investigadores polacos, encabezadopor Meissner, ha encontradocírculos con una media (en vez de una varianza) anómala de temperatura y que presenta un análisis estadístico muy diferente. Hasta el momento no he visto ninguna respuesta a este trabajo. Estacuestión se ha discutido mucho, de forma acalorada, y creo que es justo decir que no se ha convencido a la corriente dominante de pensamiento,lo que no quiere decir, por supuesto, que la polémica se haya resuelto.

Una de las ideas más bellas de la cosmología cíclica conforme es que sugiere que la fase llamada inflación, que los cosmólogos utilizan para explicar el universo tal y como lo conocemos después del Big Bang, ocurrió, de hecho, antes del Big Bang. De esta manera, la situación que vivimos hoy en día, de expansión acelerada, sería similar a la fase de inflación. ¿ Existealguna manera de distinguir el modelo basado en la observación de datos que la de los círculos en la radiación de fondo?

Sí, es una bella idea la de que la inflación sucedió antes del Big Bang y necesita ser cuantificada para que sea posible compararlacon la observación. Como comentaba antes, hay un cierto escepticismo sobre el paradigma clásico de la inflación, debido a que este modelo puede ser difícil de conciliar con las medidas más recientes de la radiación de fondo. Sin embargo, la inflación ha sido estudiada durante más de treinta años y se pueden hacer afirmaciones claras sobre sus predicciones con seguridad. La cosmología cíclica conforme no ha sido estudiada con tanta profundidado escrutinio y los cósmologos que defienden la interpretación aceptada hasta ahora no están muy convencidos de dedicar tiempo y esfuerzo a investigar en esta dirección. Por eso, la propuesta de los círculos de la la radiación de fondo es una idea poderosa. Si se logra una observación confirmada de esta hipótesis, se obtendría una pista decisiva para confirmar la cosmología cíclica conforme.

Una noción similar sería la del tránsito de campos magnéticos que provienen del eón anterior: el origen de los campos magnéticos, aparentemente existentes,que se dan entre clusters de galaxias es aún un enigma. Si se acepta la cosmología cíclica conforme, se podría explicar esta cuestión de forma bastante intuitiva, ya que estos campos se podrían originar en el eón anterior. Pero una vez más, para confirmar esto sería necesario el tratamiento cuantitativo de un cosmólogo astrofísico.

Si el universo se expande paea siempre surge también la preguntafilosófica sobre cómo puede ser esto así, ya que significaría, aparentemente, que la materia no tendría posibilidad de volver a unirse, sino que estaría ya siempre dispersa por el universo. Parece desable, por el contrario,encontrar una forma en la que materia se pueda ¨recombinar¨. Sin embargo, a excepción dela consistencia matemática y de la elegancia de la cosmología cíclica conforme, ¿cómo puede esta propuesta explicar esos cambios drásticos?, ¿no le faltaría un ingrediente esencial? Si es ése el caso, ¿de dónde podría provenir?

Es justo decir que probablemente éste es el mayor obstáculo para conseguir que los físicos se involucren con la cosmología cíclica conforme. Matemáticamente, nos encontramos anteun escenario muy atractivo, pero ¿cuál es el mecanismo físico que hace que el volumen salte desde el infinito, con densidades y temperatura que tienden a cero, a cero volumen, con densidades que tienden a infinito? ¿Esto ocurre de forma instantánea o existe un breve intervalo de transición? ¿Se puede utilizar el lenguaje de transiciones de fases aquí? Es posible crear modelos sugerentes, por ejemplo con campos escalares clásicos donde haya materia que no colisione y esta transición pueda parecer menos escandalosa, pero por el momento nos falta una versión de esto, digamos en el lenguaje de los físicos de partículas.