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A ver, bueno, ya les voy a contar un poco sobre… digamos, cómo veo yo el mundo, ¿no? Después de haberme metido a estudiar a fondo la gravedad cuántica… un tema… ¡uf!, que te vuela la cabeza.
Bueno, miren, ya les he explicado las bases de la gravedad cuántica y, digamos, el panorama que se forma, ¿no? Ahora, en estos últimos… eh… momentos, voy a contarles algunas cosas que se deducen de la teoría. Qué nos dice sobre fenómenos como el Big Bang, los agujeros negros, y también… eh… cómo andan los experimentos que tratan de probar la teoría. Y, sobre todo, lo que a mí me parece que la naturaleza nos está queriendo decir. En especial, sobre esas partículas supersimétricas que no hemos encontrado… ¡vaya, vaya!
Y es que, a ver, todavía nos falta un montón por entender del mundo, ¿eh? Voy a terminar contándoles algunas reflexiones sobre eso. Sobre todo, en el tema de la termodinámica, el papel que juega la información en una teoría como la gravedad cuántica, que no tiene ni tiempo ni espacio, y cómo reaparece el tiempo.
Todo esto, miren, nos lleva al borde de lo que sabemos, ¿eh? Desde ahí podemos echarle un ojo a lo que no sabemos, pero bien clarito, y ver todos esos misterios que nos rodean.
Imagínense esto… En mil novecientos veintisiete, un científico jovencito, belga él, y además sacerdote católico, ¡ojo!, se puso a estudiar las ecuaciones de Einstein. Y, al igual que Einstein, se dio cuenta de que predecían que el universo tenía que estar expandiéndose o contrayéndose. Pero, a diferencia de Einstein, que medio que se negaba a aceptar esa idea, este cura belga dijo: "¡A ver, vamos a ver si esto se cumple!".
En esa época, a las "galaxias" ni siquiera les decían "galaxias". Les decían "nebulosas", porque se veían como nubecitas blancas alrededor de los astros. ¡Imagínense! Nadie sabía que eran como nuestra galaxia, pero a lo bestia, llenas de estrellas re lejos. Pero este joven sacerdote se dio cuenta de que los pocos datos que había de las galaxias… en realidad, ¡apoyaban la idea de que el universo se estaba expandiendo! Que las galaxias cercanas se estaban alejando rapidísimo, como si las hubieran lanzado al cielo, y las que estaban más lejos se alejaban todavía más rápido. ¡Era como si el universo fuera un globo que se estaba inflando!
Dos años después, dos astrónomos gringos, Henrietta Leavitt y Edwin Hubble, ¡zas!, confirmaron esa idea. Leavitt había descubierto una manera genial de medir la distancia de las nebulosas, y demostró que estaban súper lejos, fuera de nuestra galaxia. Y Hubble usó ese método y un telescopio gigante para recopilar datos bien precisos y confirmó que las galaxias se estaban alejando a una velocidad proporcional a su distancia.
Pero la clave, ¡ojo!, es que este cura belga ya lo había visto en el veintisiete: si vemos una piedra volando hacia arriba, es porque antes estaba abajo y alguien la lanzó. ¡Lógico! Si vemos que las galaxias se están alejando, que el universo se está expandiendo, es porque antes estaban más juntitas, el universo era más chiquito y algo hizo que empezara a expandirse. Este sacerdote propuso que el universo al principio era súper chiquito y denso, y que empezó a expandirse en una explosión gigante. A ese estado inicial le puso "átomo primigenio". Ahora le decimos "Big Bang", ¿ok?
El tipo se llamaba Georges Lemaître. En francés suena como "el maestro", ¡y vaya que le quedaba bien el nombre! Pero, más allá del nombre, Lemaître era súper humilde, eh. No le gustaban las discusiones y nunca anduvo diciendo que él había descubierto el Big Bang. Por eso, al final, el crédito se lo llevó Hubble. Pero dos cosas demuestran lo genio que era este tipo, ¿eh? Una tiene que ver con Einstein y la otra con el Papa, ¡ahí nomás!
Como les contaba, Einstein no creía mucho en lo de la expansión del universo. Él pensaba que el universo era estático y no aceptaba que se estuviera expandiendo. ¡Hasta los más grandes se equivocan!, eh, y se dejan llevar por sus ideas preconcebidas. Lemaître se juntó con Einstein e intentó convencerlo de que dejara de lado sus prejuicios. Einstein no le hizo caso y le respondió algo así como: "Sus cálculos son correctos, pero su física es pésima". ¡Imagínense! Pero, después, Einstein tuvo que reconocer que Lemaître tenía razón. No cualquiera se anima a llevarle la contra a Einstein, ¿eh?
Pero no quedó ahí la cosa, ¡eh! Einstein había metido una constante cosmológica, que ya les conté, una corrección chiquita, pero importante para sus ecuaciones, para que coincidieran con un universo estático, que era lo que él quería. Cuando tuvo que aceptar que el universo no era estático, le echó la culpa a la constante cosmológica. Y ahí va Lemaître de nuevo a convencer a Einstein de que cambiara de opinión. Le dijo que la constante cosmológica, aunque no hacía que el universo fuera estático, estaba bien y que no había por qué sacarla de las ecuaciones. ¡Y otra vez Lemaître tenía razón! La constante cosmológica es la que produce la aceleración de la expansión del universo, que ya se ha medido. ¡Otra vez Einstein se equivocó y Lemaître acertó!
Cuando la idea de que el universo había nacido de una gran explosión empezó a ser aceptada, el Papa Pío XII salió a decir en un discurso público que esa teoría confirmaba el relato de la creación del Génesis. ¡Imagínense el escándalo! A Lemaître le preocupó muchísimo esa postura del Papa. Se puso en contacto con los asesores científicos del Papa e hizo todo lo posible para convencerlo de que no relacionara la creación divina con el Big Bang. Lemaître pensaba que era una tontería mezclar la ciencia con la religión. Según él, la Biblia no sabía nada de física y la física no sabía nada de Dios. ¡Y el Papa le hizo caso!, eh. La Iglesia Católica nunca más volvió a hablar públicamente del tema. No cualquiera se atreve a llevarle la contra al Papa, ¿eh?
Y, por supuesto, Lemaître también tenía razón en eso. Ahora se habla mucho de la posibilidad de que el Big Bang no haya sido el verdadero origen, sino que antes haya habido otro universo. ¡Imagínense en qué lío estaría ahora la Iglesia Católica si Lemaître no hubiera frenado al Papa! ¡Tendrían que cambiar el "Hágase la luz" por un "Volvamos a encender las luces"!
¡Imagínense qué logro que fue hacer que Einstein y el Papa reconocieran que estaban equivocados y, encima, tener razón las dos veces! Definitivamente, se merecía el título de "maestro".
Hoy en día, la evidencia es casi abrumadora: el universo era súper caliente y denso en un pasado muy lejano y, desde entonces, se ha estado expandiendo. Podemos reconstruir la historia del universo con bastante detalle, partiendo de ese estado inicial caliente y denso. Sabemos cómo se formaron los átomos, los elementos, las galaxias y los astros, y cómo evolucionaron hasta convertirse en el universo que vemos hoy. Las muchísimas observaciones de la radiación que llena el universo, realizadas principalmente por el satélite Planck, han confirmado totalmente la teoría del Big Bang, eh. Sabemos, con bastante precisión, lo que pasó a gran escala en los últimos catorce mil millones de años, desde que el universo era una bola de fuego.
¡Piensen que, al principio, lo de "teoría del Big Bang" era un nombre que le pusieron los que estaban en contra para burlarse, porque les parecía una idea ridícula…! Y, al final, terminamos todos convencidos de que, hace catorce mil millones de años, el universo era una bola de fuego comprimida.
Pero, ¿qué había antes de ese estado inicial caliente y denso?
Si retrocedemos en el tiempo, la temperatura aumenta, la densidad de la materia y la energía también. En algún punto, hace catorce mil millones de años, se alcanza la escala de Planck. Ahí las ecuaciones de la relatividad general dejan de funcionar, porque la mecánica cuántica ya no se puede ignorar. Entramos en el terreno de la gravedad cuántica.
Para entender lo que pasó antes de hace catorce mil millones de años, necesitamos la gravedad cuántica. ¿Qué nos dice la teoría de bucles sobre esto?
Pensemos en algo parecido, pero más simple. Según la mecánica clásica, un electrón que cae directamente al núcleo de un átomo sería absorbido y desaparecería. Pero, en la vida real, no pasa eso. La mecánica clásica no es suficiente. Tenemos que tener en cuenta los efectos cuánticos. El electrón real es un objeto cuántico, no tiene una trayectoria definida y no se lo puede encerrar en un espacio muy pequeño. Cuanto más se acerca al centro, más rápido se escapa. Lo máximo que podemos hacer para mantenerlo cerca del núcleo es hacerlo entrar en la órbita atómica más pequeña, pero no puede acercarse más al núcleo. La mecánica cuántica impide que el electrón real caiga al núcleo. Una fuerza repulsiva cuántica lo aleja cuando se acerca demasiado al centro. Gracias a la mecánica cuántica, la materia es estable. Sin mecánica cuántica, los electrones caerían a los núcleos, no habría átomos y nosotros no existiríamos.
Lo mismo se aplica al universo, ¿eh? Imaginemos un universo denso, comprimido por su propio peso hasta ser extremadamente pequeño. Según las ecuaciones de Einstein, este universo se comprimiría hasta el infinito y desaparecería en un punto, como el electrón que cae al núcleo. Eso es lo que predicen las ecuaciones de Einstein para el Big Bang, si ignoramos la mecánica cuántica.
Pero, si tenemos en cuenta la mecánica cuántica, el universo no se comprime hasta el infinito. Una fuerza repulsiva cuántica hace que rebote. El universo que se contrae no se colapsa en un punto. Rebota y empieza a expandirse, como si hubiera sido creado por una explosión.
Nuestro universo, tal vez, es el resultado de ese rebote. A ese rebote gigante se le llama "Big Bounce", en lugar de "Big Bang". Parece que es lo que sale de aplicar las ecuaciones de la gravedad cuántica de bucles a la expansión del universo.
Pero ¡ojo!, eh, no hay que tomarse al pie de la letra la imagen del rebote. Volviendo al ejemplo del electrón, recuerden que, si queremos poner un electrón lo más cerca posible del núcleo, el electrón deja de ser una partícula. Podemos imaginarlo como una nube de probabilidad que se extiende. La posición definida ya no tiene sentido para el electrón. Lo mismo pasa con el universo. En la etapa importante del Big Bounce, no podemos imaginarlo como un espacio y un tiempo únicos, aunque separados, sino como una nube de probabilidad que se extiende, donde el espacio y el tiempo fluctúan muchísimo. En el Big Bounce, el mundo se disuelve en una nube de probabilidad, que las ecuaciones pueden seguir describiendo.
Así que es muy probable que nuestro universo haya nacido de un rebote después de una compresión, pasando por una etapa cuántica donde el espacio y el tiempo se disolvieron en probabilidades.
La palabra "universo" se vuelve ambigua, ¿eh? Si usamos "universo" para referirnos a "todo lo que existe", entonces, por definición, no puede haber un segundo universo. Pero la palabra "universo" tiene otro significado en cosmología: se refiere al continuo espacio-tiempo que nos rodea, lleno de la geometría y la historia de las galaxias que observamos. En ese sentido, no hay ninguna razón para estar seguros de que este universo sea el único que existe. Podemos reconstruir el pasado hasta que el continuo espacio-tiempo se rompa en pedazos como espuma de mar, convirtiéndose en una nube de probabilidad cuántica, como proponía Wheeler. Y tampoco hay ninguna razón para descartar la posibilidad de que, más allá de esa espuma caliente, haya otro continuo espacio-tiempo parecido al que percibimos a nuestro alrededor.
La probabilidad de que un universo pase de la contracción a la expansión, atravesando la etapa del Big Bounce, se puede calcular con el método de la caja espacio-tiempo que les conté antes. Se calcula usando una espuma de espín que conecta el universo que se contrae con el universo que se expande.
Todo esto todavía está en exploración, ¿eh? Pero lo importante es que, hoy en día, tenemos ecuaciones para intentar describir estos eventos. Aunque, por ahora, solo sea teoría, ya estamos empezando a mirar con cuidado más allá del Big Bang.
Ahora, ¿qué evidencia experimental tenemos de todo esto?
Las exploraciones teóricas de la cosmología cuántica no solo se tratan de qué hay más allá del Big Bang, ¿eh? Estudiar las aplicaciones de la teoría en cosmología tiene otra razón de ser: tal vez nos dé la oportunidad de verificar si la teoría es realmente correcta.
La ciencia funciona porque, después de las hipótesis y las deducciones, después de la intuición y la inspiración, después de las ecuaciones y los cálculos, podemos verificar si lo hemos hecho bien. La teoría hace predicciones sobre cosas que todavía no hemos observado y podemos comprobar si esas predicciones se cumplen o no. Esa es la fuerza de la ciencia, su confiabilidad tiene una base sólida que nos permite confiar en ella plenamente. Porque podemos verificar si una teoría es correcta o incorrecta. Esa es la diferencia entre la ciencia y otras formas de pensar, donde a veces es muy difícil saber quién tiene razón y quién no, o incluso no tiene sentido.
Cuando Lemaître defendía la idea de que el universo se estaba expandiendo, Einstein no le creía. Uno de los dos tenía que estar equivocado y el otro en lo correcto. No importaban los logros de Einstein, su fama, su influencia en el mundo científico, su gran autoridad. Los datos de las observaciones demostraron que él estaba equivocado y se acabó. Un sacerdote belga desconocido tenía razón. Por eso, el pensamiento científico tiene poder.
La sociología de la ciencia ha demostrado la complejidad del proceso de conocimiento científico. Como todo esfuerzo humano, este proceso está lleno de irracionalidad, se enreda en juegos de poder y está influenciado por todo tipo de factores sociales y culturales. Sin embargo, nada de esto disminuye la eficacia práctica y teórica del pensamiento científico, al contrario de lo que afirman algunos postmodernistas y relativistas culturales. Porque, al final, en la mayoría de los casos podemos saber claramente quién tiene razón y quién no. Incluso el gran Einstein puede decir (y lo dijo): "¡Ah, me equivoqué!". Si valoramos la confiabilidad, la ciencia es la mejor estrategia.
Pero eso no significa que la ciencia sea solo el arte de hacer predicciones observables. Algunos filósofos de la ciencia limitan la ciencia a las predicciones numéricas. Eso es reducirla demasiado. No entienden lo fundamental, porque confunden los medios con los fines. Las predicciones cuantitativas que se pueden verificar son un medio para verificar las hipótesis, pero el objetivo de la investigación científica no es solo hacer predicciones, sino también entender cómo funciona el mundo, construir y desarrollar una imagen del mundo, darnos una estructura conceptual para pensar. La ciencia es visión antes de ser técnica.
Las predicciones que se pueden verificar son una herramienta poderosa que nos permite detectar rápidamente si estamos entendiendo mal algo. Una teoría que carece de evidencia experimental es una teoría que todavía no ha sido probada. Las pruebas nunca terminan. Una teoría no queda totalmente confirmada por uno, dos o tres experimentos. Pero, a medida que sus predicciones se demuestran verdaderas, la credibilidad de la teoría aumenta gradualmente. Teorías como la relatividad general y la mecánica cuántica, que al principio confundieron a mucha gente, fueron ganando confianza a medida que todas sus predicciones (incluso las más increíbles) fueron siendo confirmadas gradualmente por experimentos y observaciones.
Por otro lado, la importancia de la evidencia experimental no significa que no podamos avanzar si no tenemos datos experimentales. Se dice a menudo que la ciencia avanza solo cuando tenemos nuevos datos experimentales. Si fuera así, tendríamos pocas esperanzas de descubrir la gravedad cuántica antes de observar algo nuevo, pero obviamente no es así. ¿Qué datos nuevos tenía Copérnico a su disposición? Ninguno. Los mismos que Tolomeo. ¿Qué datos nuevos tenía Newton? Casi ninguno. Su verdadera información fueron las leyes de Kepler y los resultados de Galileo. ¿Qué datos nuevos tenía Einstein para descubrir la relatividad general? Tampoco. Su información fue la relatividad especial y la teoría de Newton. Es evidente que la afirmación de que la física solo avanza cuando aparecen nuevos datos es falsa.
Lo que hicieron Copérnico, Newton, Einstein y muchos otros científicos fue encontrar una manera de integrar y repensar teorías preexistentes que reunían conocimientos empíricos de muchos campos de la naturaleza, mejorando así la concepción general.
Esa es la base del mejor trabajo de investigación sobre la gravedad cuántica. En la ciencia, la fuente del conocimiento es, en última instancia, la experimentación. Pero los datos sobre los que se basa la construcción de la gravedad cuántica no provienen de nuevos experimentos, sino del gran edificio teórico que ya constituye nuestra imagen del mundo, aunque de forma parcialmente coherente. Los "datos experimentales" de la gravedad cuántica son la relatividad general y la mecánica cuántica. A partir de ahí, intentamos entender cómo coexisten de forma coherente el mundo cuántico y el espacio curvo, e intentamos explorar lo desconocido.
Los grandes éxitos que tuvieron gigantes que estuvieron en una situación similar antes que nosotros, como Newton, Einstein y Dirac, nos dan mucho ánimo. No nos atrevemos a pensar en alcanzar su altura, pero tenemos la ventaja de estar sentados sobre sus hombros, lo que nos permite ver más lejos que ellos. En cualquier caso, tenemos que esforzarnos.
Pero tenemos que distinguir entre pistas y evidencia sólida. Las pistas le permiten a Sherlock Holmes resolver casos misteriosos, mientras que el juez necesita evidencia sólida para juzgar a los culpables. Las pistas nos llevan por el camino correcto hacia la teoría correcta. La evidencia sólida nos permite creer que la teoría que construimos es buena o mala. Sin pistas, buscamos en la dirección equivocada. Sin evidencia, la teoría no es creíble.
Lo mismo ocurre con la gravedad cuántica. La teoría todavía está en pañales. Sus componentes teóricos se están volviendo sólidos, se están aclarando las ideas básicas. Las pistas son buenas y muy específicas, pero todavía faltan predicciones confirmadas. La teoría todavía no ha sido probada.
En la línea de investigación que les cuento en este libro, la otra teoría más estudiada es la teoría de cuerdas. La mayoría de los físicos que estudian la teoría de cuerdas o teorías relacionadas esperan que, en cuanto empiece a funcionar el nuevo acelerador de partículas del CERN en Ginebra, el LHC, o Gran Colisionador de Hadrones, aparezca inmediatamente una partícula nunca antes observada, pero prevista por la teoría: la partícula supersimétrica. La teoría de cuerdas necesita estas partículas para que la teoría sea coherente, así que los teóricos de cuerdas esperan ansiosamente encontrar la partícula. Por otro lado, la teoría de la gravedad cuántica de bucles está bien definida incluso sin partículas supersimétricas. Los teóricos de bucles tienden a pensar que tal vez estas partículas no existan.
El hecho de que no se hayan observado partículas supersimétricas ha decepcionado a mucha gente. En dos mil trece, los que celebraban el descubrimiento del bosón de Higgs también disimulaban la misma decepción. Que las partículas supersimétricas no aparezcan a las energías que muchos teóricos de cuerdas esperaban no demuestra nada en concreto, ni mucho menos. Pero la naturaleza ya ha dado una pequeña pista a favor de la teoría de bucles.
En los últimos años, ha habido tres resultados experimentales importantes en la física fundamental. El primero es el descubrimiento del bosón de Higgs en el CERN en Ginebra. El segundo son las observaciones realizadas por el satélite Planck, cuyos datos se hicieron públicos en dos mil trece, que confirmaron el modelo cosmológico estándar. El tercero es la primera detección de ondas gravitacionales, que se anunció en los primeros meses de dos mil dieciséis. Esas son las tres señales más recientes que nos ha dado la naturaleza.
Estos tres resultados tienen algo en común: no hay ninguna sorpresa. Eso no disminuye su importancia, al contrario, los hace aún más significativos. El descubrimiento del bosón de Higgs demostró contundentemente que el modelo estándar de partículas elementales basado en la mecánica cuántica es correcto. Fue una verificación de una predicción que se había hecho hace treinta años. Las observaciones del satélite Planck fueron una evidencia sólida para el modelo cosmológico estándar basado en la relatividad general y la constante cosmológica. La detección de ondas gravitacionales fue una evidencia sorprendente para la relatividad general, que ya tiene cien años. Estos tres logros, fruto de un arduo trabajo técnico y la amplia colaboración de cientos de científicos, solo reforzaron nuestra comprensión actual de la estructura del universo. No hubo ninguna sorpresa real.
Pero esa falta de sorpresas es, en cierto sentido, una sorpresa, porque mucha gente esperaba llevarse una gran sorpresa, es decir, descubrir una "nueva física" que no estuviera descrita por las teorías establecidas. En el CERN esperaban partículas supersimétricas, no el bosón de Higgs. Muchos esperaban que el satélite Planck observara desviaciones del modelo cosmológico estándar que apoyaran otras teorías cosmológicas más allá de la relatividad general.
Pero no fue así. La afirmación de la naturaleza es sencilla: la relatividad general, la mecánica cuántica y el modelo estándar dentro de la mecánica cuántica son correctos.
Muchos físicos teóricos ahora buscan nuevas teorías haciendo suposiciones muy arbitrarias: "Imaginemos que...". Creo que esta forma de investigar la ciencia no produce buenos resultados. A menos que busquemos inspiración en los rastros que tenemos a nuestro alcance, nuestras fantasías serán demasiado limitadas para "imaginar" cómo es el mundo. Los rastros que tenemos (nuestras pistas) son las teorías exitosas o los nuevos datos experimentales, no hay más. Deberíamos descubrir en esos datos y en esas teorías lo que todavía no podemos imaginar. Así es como avanzaron Copérnico, Newton, Maxwell y Einstein. Nunca "adivinaron" una nueva teoría, no como tantos físicos teóricos están intentando hacer hoy en día.
Los tres resultados experimentales que les mencioné ya hicieron que la naturaleza hablara: "Dejen de fantasear con nuevos campos o partículas extrañas. Dimensiones adicionales, otras simetrías, universos paralelos, cuerdas o cualquier otra cosa. El rompecabezas es sencillo: relatividad general, mecánica cuántica y modelo estándar. El siguiente paso tal vez sea 'solo' integrarlos de la forma correcta". Ese es un consejo alentador para la comunidad de la gravedad cuántica, porque esa es precisamente la suposición de la teoría: relatividad general, mecánica cuántica y el modelo estándar compatible con ella, nada más. Las consecuencias conceptuales fundamentales (la cuantización del espacio, la desaparición del tiempo) no son hipótesis audaces. Son deducciones razonables que se obtienen después de tomar en serio las ideas básicas de nuestras mejores teorías.
Pero tal vez estas tampoco sean pruebas definitivas. Las partículas supersimétricas tal vez aparezcan al final. Tal vez aparezcan en escalas que todavía no hemos alcanzado. E incluso, si la gravedad cuántica de bucles es correcta, podrían aparecer. Que las partículas supersimétricas no aparezcan donde se esperaban tiene un poco desanimados a los teóricos de cuerdas y un poco animados a los teóricos de bucles, pero sigue siendo una cuestión de pistas, no de evidencia sólida.
Para encontrar evidencia más sólida, tenemos que mirar hacia otro lado. El universo primitivo nos abre una ventana para hacer algunas predicciones que podrían confirmar la teoría. Espero que eso sea en un futuro no muy lejano. O tal vez puedan demostrar que la teoría está equivocada.
Si tuviéramos ecuaciones que describieran la evolución del universo en la etapa cuántica, podríamos calcular el impacto de los fenómenos cuánticos en el universo que observamos hoy. El universo está lleno de radiación cósmica. Una gran cantidad de fotones que quedaron de la etapa inicial caliente, el resplandor del calor primitivo.
El campo electromagnético en el enorme espacio entre las galaxias vibra como la superficie del mar después de una tormenta. Esa vibración que llena el universo se llama radiación cósmica de fondo y ha sido estudiada en los últimos años por instrumentos como el COBE, el WMAP y, más recientemente, el satélite Planck. Una imagen de las pequeñas fluctuaciones de esta radiación se muestra en la figura nueve punto tres. Los detalles de la estructura de esta radiación pueden contarnos la historia del universo. Las pistas sobre el origen cuántico del universo podrían estar ocultas ahí.
Una de las áreas más activas de investigación en la gravedad cuántica se dedica a estudiar cómo la dinámica cuántica del universo primitivo se refleja en estos datos. Aunque todavía está en desarrollo inicial, es alentador. Con más cálculos y mediciones más precisas, debería ser posible verificar la teoría.
En dos mil trece, Abhay Ashtekar, Ivan Agullo y William Nelson publicaron un artículo donde calculaban, bajo ciertas suposiciones, que la distribución estadística de las fluctuaciones que provienen de esta radiación cósmica debería revelar el impacto del rebote inicial: las fluctuaciones a gran escala deberían ser diferentes de las predicciones que hacen las teorías que no tienen en cuenta lo cuántico. El estado actual de las mediciones se muestra en la figura nueve punto cuatro. La línea negra representa la predicción de Ashtekar, Agullo y Nelson. Los puntos grises representan los datos de las mediciones. Por ahora, los datos no son suficientes para determinar si es correcta la parte de la línea negra que se curva hacia arriba, que predicen los tres autores, pero las mediciones se están volviendo cada vez más precisas. La situación sigue cambiando. Los que, como yo, hemos dedicado toda la vida a tratar de entender los misterios del espacio cuántico, hemos estado siguiendo de cerca, con esperanza y ansiedad, los avances continuos de nuestra capacidad para observar, medir y calcular, esperando el momento en que la naturaleza nos diga si tenemos razón o no.
También es seguro que en el campo gravitacional quedaron muchos rastros del calor primitivo. El campo gravitacional, es decir, el espacio mismo, seguro que vibra como la superficie del mar. Por lo tanto, también es seguro que existe una radiación cósmica de fondo gravitacional, aún más antigua que la radiación cósmica de microondas, porque las ondas gravitacionales se ven menos afectadas por la materia que las ondas electromagnéticas. Las ondas gravitacionales pueden pasar sin verse afectadas incluso cuando el universo es demasiado denso para que pasen las ondas electromagnéticas.
Ahora ya hemos observado directamente ondas gravitacionales con el detector LIGO, el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser. El detector consta de dos brazos de varios kilómetros de longitud, colocados en ángulo recto entre sí. Los rayos láser miden la distancia entre tres puntos fijos. Cuando pasa una onda gravitacional, el espacio se estira y se comprime de forma imperceptible, y el láser detecta ese pequeño cambio.
Las ondas gravitacionales son producidas por eventos astrofísicos, como la colisión de agujeros negros. Estos fenómenos están descritos por la relatividad general y no involucran la gravedad cuántica. Pero hay un experimento más ambicioso en evaluación, llamado LISA, que podría hacer el mismo trabajo en escalas mucho mayores: colocar tres satélites en órbita, no alrededor de la Tierra, sino alrededor del Sol. Serían como pequeños asteroides que siguen a la Tierra en su órbita. Los tres satélites estarían conectados por rayos láser que medirían la distancia entre ellos o, mejor aún, medirían los cambios en la distancia cuando pasa una onda gravitacional. Si LISA se pudiera poner en marcha, no solo podría ver las ondas gravitacionales producidas por estrellas y agujeros negros, sino también observar la radiación de fondo de las ondas gravitacionales primitivas, producidas cerca del Big Bang. Estas ondas deberían informarnos sobre el rebote cuántico.
En las pequeñas irregularidades del espacio, deberíamos poder encontrar rastros de los eventos que ocurrieron hace catorce mil millones de años, cuando se originó el universo, y confirmar nuestras deducciones sobre la naturaleza del espacio y el tiempo.
Hay montones de agujeros negros en nuestro universo. En las regiones de agujeros negros, el espacio está tan curvado que termina colapsando hacia su interior y el tiempo se detiene. Como ya les conté, cuando una estrella agota todo el hidrógeno disponible, colapsa y forma un agujero negro.
A menudo, la estrella que colapsa forma una pareja con una estrella vecina. En ese caso, el agujero negro y su "compañero" que sobrevive orbitan entre sí. El agujero negro absorbe continuamente materia de la otra estrella.
Los astrónomos han descubierto muchos agujeros negros que tienen el tamaño de nuestro Sol (en realidad, un poco más grandes, cuando digo tamaño me refiero a la masa), pero también hay agujeros negros gigantes. Casi todas las galaxias tienen un agujero negro gigante en el centro, incluida la nuestra.
El agujero negro que está en el centro de nuestra galaxia se está estudiando cuidadosamente en la actualidad. Tiene una masa un millón de veces mayor que la de nuestro Sol. A veces, una estrella se acerca demasiado a ese gigante y es destrozada por la fuerza de la gravedad. El enorme agujero negro la engulle, como una ballena engulle a un pececillo. Imagínense un gigante cien veces más grande que nuestro Sol, que se traga nuestro Sol y sus pequeños planetas en un instante...
Hay un proyecto en marcha muy interesante para construir una red de antenas de radio en todo el mundo. De esa forma, los astrónomos podrían obtener una resolución lo suficientemente grande como para "ver" los agujeros negros gigantes. Esperamos ver un pequeño disco negro, rodeado de la luz producida por la radiación de la materia que cae en él.
Lo que entra en un agujero negro no puede volver a salir, al menos si ignoramos la teoría cuántica. La superficie del agujero negro es como el ahora: se puede atravesar solo en una dirección, no se puede regresar del futuro. Para un agujero negro, el pasado está afuera y el futuro está adentro. Desde afuera, el agujero negro parece una esfera. Se puede entrar, pero nada puede salir de adentro. Un cohete puede permanecer a una distancia fija de esa esfera. Esa distancia se conoce como el "horizonte" del agujero negro. Para lograrlo, el cohete tiene que mantener los motores encendidos a toda potencia, para contrarrestar la gravedad del agujero negro. La enorme gravedad del agujero negro hace que el tiempo se ralentice para el cohete. Si el cohete permanece cerca del horizonte durante una hora y luego se aleja, descubrirá que afuera han pasado siglos durante ese tiempo. Cuanto más cerca esté el cohete del horizonte, más lento pasará el tiempo en relación con el exterior. Por lo tanto, viajar al pasado es difícil, pero viajar al futuro es fácil: solo tenemos que acercarnos a un agujero negro en una nave espacial, quedarnos un rato cerca y luego alejarnos.
En el horizonte, el tiempo se detiene. Si nos acercamos muchísimo y luego nos alejamos después de unos minutos, medidos con nuestro tiempo, tal vez haya pasado un millón de años en el resto del universo.
Lo realmente sorprendente es que las propiedades de estos objetos extraños, que ahora se pueden observar con frecuencia, ya habían sido predichas por la teoría de Einstein. Los astrónomos están estudiando estos objetos en el espacio, pero hasta hace poco los agujeros negros se consideraban un resultado extraño de una teoría extraña. Recuerdo que mis profesores universitarios los introdujeron como soluciones de las ecuaciones de Einstein, diciendo que "es poco probable que haya objetos reales que se correspondan con ellos". Esa es la asombrosa capacidad de los físicos teóricos: pueden descubrir cosas antes de que se observen.
Los agujeros negros que observamos están bien descritos por las ecuaciones de Einstein. Para entenderlos, no necesitamos la mecánica cuántica. Pero hay dos misterios de los agujeros negros que sí necesitan la mecánica cuántica para resolverse. La teoría de bucles ofrece posibles respuestas a ambos y, también, una oportunidad para verificar la teoría en uno de ellos.
La primera aplicación de la gravedad cuántica a los agujeros negros se relaciona con un hecho extraño que descubrió Stephen Hawking. A principios de la década de mil novecientos setenta, dedujo teóricamente que los agujeros negros están "calientes". Se comportan como objetos calientes: emiten calor. Por lo tanto, pierden energía y masa (porque la energía y la masa son la misma cosa) y se vuelven cada vez más pequeños. Se "evaporan". Esa "evaporación del agujero negro" es el descubrimiento más importante que hizo Hawking.
Los objetos tienen calor porque sus componentes microscópicos se mueven. Por ejemplo, los átomos de una plancha caliente vibran rápidamente alrededor de sus posiciones de equilibrio. Las moléculas del aire caliente se mueven más rápido que las del aire frío.
¿Cuáles son los "átomos" elementales que vibran continuamente y hacen que los agujeros negros se calienten? Hawking no respondió a esa pregunta. La teoría de bucles ofrece una posible respuesta. Los átomos elementales del espacio que le dan temperatura a los agujeros negros son los cuántos de espacio individuales en su superficie.
De esa forma, se puede entender el extraño calor de los agujeros negros que predijo Hawking usando la teoría de bucles: el calor es el resultado de las pequeñas vibraciones de los átomos individuales del espacio. Vibran porque, en el mundo de la mecánica cuántica, todo vibra. Nada permanece quieto. El núcleo de la mecánica cuántica es que los objetos no pueden permanecer completamente quietos en un lugar. El calor de los agujeros negros está directamente relacionado con las vibraciones de los átomos del espacio en la gravedad cuántica de bucles. La posición exacta del horizonte del agujero negro está determinada solo por esas pequeñas vibraciones de los campos gravitacionales. Por lo tanto, en cierto sentido, el horizonte vibra como un objeto caliente.
Hay otra forma de entender de dónde viene el calor de los agujeros negros. Las fluctuaciones cuánticas crean correlaciones entre el interior y el exterior del agujero negro (en el capítulo doce les explicaré detalladamente la relación entre correlaciones y temperatura). La incertidumbre cuántica que atraviesa el horizonte del agujero negro crea fluctuaciones geométricas del horizonte. Y las fluctuaciones significan probabilidad, y la probabilidad significa termodinámica, es decir, temperatura. El agujero negro nos oculta una parte del universo, pero hace que sus fluctuaciones cuánticas se detecten en forma de calor.
Un joven científico italiano, Eugenio Bianchi, que ahora es profesor en Estados Unidos, completó los cálculos precisos y demostró cómo se puede obtener la fórmula para calcular el calor de los agujeros negros que predijo Hawking a partir de esas ideas y las ecuaciones básicas de la gravedad cuántica de bucles.
La segunda aplicación de la gravedad cuántica de bucles a la física de los agujeros negros es aún más sorprendente. Una vez que una estrella colapsa, desaparece de la vista exterior: está dentro del agujero negro. Pero, ¿qué pasa dentro del agujero negro? ¿Qué verías si te dejaras caer en un agujero negro?
Al principio, nada especial. Atravesarías la superficie del agujero negro sin sufrir muchos daños y luego caerías verticalmente hacia el centro a mayor velocidad. ¿Y después? La relatividad general predice que todo se comprimiría en un punto de volumen infinitamente pequeño y densidad infinitamente grande. Pero ese es de nuevo el resultado de ignorar la teoría cuántica.
Si tenemos en cuenta la gravedad cuántica, esa predicción es incorrecta, porque existe una fuerza repulsiva cuántica, la misma fuerza que hace que el universo rebote en el Big Bang. Lo que esperamos es que, al acercarse al centro, la velocidad de la materia que cae se ralentice por esa presión cuántica. La densidad sería muy grande, pero finita. La materia se comprimiría, pero no hasta un punto infinitamente pequeño, porque existe un límite inferior para el tamaño de la materia. La gravedad cuántica produce una enorme presión que hace que la materia rebote, al igual que un universo que colapsa puede rebotar en un universo que se expande.
Si se observara desde allí, el rebote de la estrella que colapsa puede ser muy rápido. Pero, recuerden, el tiempo interior transcurre mucho más lento que el exterior. Desde afuera, el proceso de rebote puede tardar miles de millones de años. Después de mucho tiempo, veríamos explotar el agujero negro. Básicamente, así es como terminan los agujeros negros: como atajos hacia un futuro lejano.
Por lo tanto, la gravedad cuántica tal vez prediga que los agujeros negros no son objetos estables para siempre, como predice la relatividad general tradicional. Son fundamentalmente inestables.
Si se descubrieran estas explosiones de agujeros negros, sería una evidencia sorprendente para la teoría. Los agujeros negros muy antiguos, como los que se formaron al principio del universo, tal vez estén explotando hoy. Algunos cálculos actuales indican que las señales de estas