Brian Green: ¿Es nuestro universo el único universo?

Brian Green es quizá el más conocido de los proponentes de la teoría de supercuerdas, la idea de que minúsculas cuerdas vibrantes en una dimensión más alta de espacio tiempo crea cada una de las fuerzas y partículas en nuestro universo.

Hace unos meses se otorgó el premio Nobel de física a dos equipos de astrónomos por un descubrimiento catalogado como una de las observaciones astronómicas más importantes de la historia. Y hoy, después de una breve descripción de ese hallazgo, les hablaré de un marco conceptual muy polémico para explicar su descubrimiento. A saber, la posibilidad de que más allá de la Tierra, de la Vía Láctea y de otras galaxias lejanas, podríamos encontrar que nuestro universo no es el único, sino que es parte de un vasto complejo de universos al que llamamos multiverso.

Pero la idea de multiverso es rara. Digo, muchos nos hemos criado con la idea de que “universo” quiere decir “todo”. Y digo la mayoría pensando como mi hija de cuatro ańos que me ha oído hablar de estas ideas desde que nació. El ańo pasado la tenía en brazos y le dije: “Sophia, eres a quien más amo en el universo”. Me miró y dijo: “Papi, ¿universo o multiverso?” (Risas)

Pero salvo este tipo de crianza anómala, es raro imaginar otros reinos distintos de los nuestros, con características fundamentalmente diferentes, que puedan denominarse universos por derecho propio. Y, sin embargo, aunque especulativa, la idea existe. Mi objetivo es convencerles de que hay razones para tomarlo en serio, porque podría ser correcto. Contaré la historia del multiverso en tres partes. En la primera parte hablaré de los resultados de los ganadores del Nobel y pondré de relieve el misterio profundo que revelaron esos resultados. En la segunda parte ofreceré una solución para ese misterio, basada en un enfoque llamado teoría de cuerdas y es allí que aparecerá el multiverso en esta historia. Finalmente, en la tercera parte, describiré una teoría cosmológica llamada inflación que unirá todas las piezas de la historia.

Bueno, la primera parte empieza en 1929 cuando el gran astrónomo Edwin Hubble se dio cuenta de que las galaxias lejanas estaban huyendo de nosotros y estableció que el propio espacio se está estirando, se está expandiendo. Esto fue revolucionario. La idea predominante era que, a muy gran escala, el universo era estático. Pero aun así, había algo de lo que todo el mundo estaba seguro: la expansión debería estar desacelerándose. Así como la fuerza gravitacional terrestre retrasa el ascenso de una manzana lanzada hacia arriba, la fuerza gravitacional de cada galaxia sobre las demás debería aminorar la expansión del espacio.

Ahora avancemos hasta los ańos 1990 cuando esos dos equipos de astrónomos que mencioné al principio se inspiraron en este razonamiento para medir la tasa de desaceleración de la expansión. Y lo hicieron observando meticulosamente muchas galaxias lejanas, lo que les permitió graficar el cambio de la tasa de expansión en el tiempo. Y he aquí la sorpresa: encontraron que la expansión no se está desacelerando. Por el contrario, se está acelerando; va cada vez más rápido. Es como lanzar una manzana hacia arriba y que ascienda cada vez más rápido. Si vieran que una manzana hace eso querrían saber el porqué. ¿Qué la empuja?

Del mismo modo, los resultados de estos astrónomos, sin duda meritorios del premio Nobel, arrojaron una pregunta similar: ¿Qué fuerza lleva a las galaxias a huir de las demás a una velocidad cada vez mayor? Bueno, la respuesta más prometedora viene de una vieja idea de Einstein. Estamos acostumbrados a ver a la gravedad como una fuerza que hace una sola cosa: atrae objetos mutuamente. Pero en la teoría de la gravedad de Einstein, en su teoría de la relatividad general, la gravedad también puede repeler.

¿Cómo? Bueno, según los cálculos de Einstein si el espacio está ocupado uniformemente por una energía invisible, una especie de niebla uniforme e invisible, entonces la gravedad generada por esa niebla sería repelente, gravedad expansiva, que es justo lo que necesitamos para explicar las observaciones. Dado que la gravedad expansiva de una energía invisible del espacio — ahora la llamamos energía oscura, pero la puse como humo blanco para que puedan verla — su gravedad expansiva haría que cada galaxia empuje a las otras, acelerando la expansión, en vez de aminorarla. Esta explicación representa un gran avance.

Pero les prometí un misterio aquí en la primera parte. Es éste. Cuando los astrónomos calcularon la cantidad de energía oscura que debe tener el espacio para dar cuenta de la aceleración cósmica miren lo que encontraron. Es un número pequeńo. Expresado en la unidad significativa es espectacularmente pequeńo. El misterio consiste en explicar este número peculiar. Queremos que este número surja de las leyes de la física pero hasta ahora nadie ha encontrado la manera de hacerlo.

Tal vez se pregunten: ¿debería importar? Quizá explicar este número es un tema técnico, un detalle técnico que interesa a los expertos pero que no le importa a nadie más. Claro que es un detalle técnico, pero algunos detalles importan mucho. Algunos detalles abren la puerta a otras realidades desconocidas y este número peculiar puede tener esa función, dado que el único enfoque que hasta ahora avanza en una explicación suscita la posibilidad de otros universos — una idea que naturalmente surge de la teoría de cuerdas — lo que me lleva a la segunda parte: la teoría de cuerdas.

Guarden el misterio de la energía oscura en sus mentes mientras prosigo hablando de tres cosas claves de la teoría de cuerdas. En primer lugar: ¿qué es? Bueno, es un enfoque para hacer realidad el sueńo de Einstein de una teoría unificada de la física, un marco conceptual único capaz de describir todas las fuerzas que actúan en el universo. Y la idea central de la teoría de cuerdas es muy sencilla. Dice que si uno examina la materia cada vez más en detalle al principio encontrará moléculas, luego átomos y partículas subatómicas. Pero la teoría de cuerdas dice que si vamos más al detalle mucho más de lo que hoy se puede con la tecnología existente uno encontraría algo más dentro de estas partículas: un filamento de energía diminuto, una diminuta cuerda vibratoria. Y, al igual que las cuerdas de un violín, pueden vibrar siguiendo patrones diferentes que producen distintas notas musicales. Estas pequeńas cuerdas fundamentales, al vibrar siguiendo diferentes patrones, producirían distintos tipos de partículas — electrones, quarks, neutrinos, fotones y todas las otras partículas — unificadas en un mismo marco conceptual y todas provendrían de cuerdas vibratorias. Es un panorama fascinante, una suerte de sinfonía cósmica, en la que toda la riqueza que vemos en el mundo circundante surge de la música ejecutada por estas diminutas cuerdas.

Pero esta unificación elegante tiene un costo, porque ańos de investigación han demostrado que el cálculo de la teoría de cuerdas no cuadra bien. Tiene inconsistencias internas, a menos que aceptemos algo totalmente desconocido: otras dimensiones del espacio. Es decir, todos conocemos las tres dimensiones típicas del espacio. Se las puede pensar como alto, ancho y profundidad. Pero la teoría de cuerdas dice que, a escalas increíblemente pequeńas, hay otras dimensiones adicionales estrujadas de tal manera que no las hemos detectado. Pero aunque esas dimensiones estén ocultas, podrían tener un impacto en las cosas que observamos porque la forma de esas dimensiones adicionales restringen la vibración de las cuerdas. Y en la teoría de cuerdas la vibración lo determina todo. Así, la masa de las partículas, la intensidad de las fuerzas y, lo más importante, la cantidad de energía oscura, estaría determinada por la forma de estas dimensiones adicionales. Si conociéramos estas otras dimensiones podríamos calcular estas fuerzas, calcular la cantidad de materia oscura.

El desafío es que desconocemos la forma de las dimensiones adicionales. Sólo contamos con una lista de formas candidatas calculadas matemáticamente. Cuando surgieron estas ideas por primera vez sólo había unas cinco formas candidatas, de modo que podíamos pensar en analizarlas una a una para determinar si alguna tenía las características físicas que observamos. Pero con el tiempo la lista creció a medida que los investigadores encontraban otras formas candidatas. De cinco pasaron a ser cientos y luego miles. Una cantidad grande, pero todavía manejable. Después de todo los estudiantes de posgrado necesitan algo que hacer. Pero luego la lista siguió creciendo a millones y millones de millones, hasta hoy. La lista de formas candidatas ha remontado de unas 10 a 500.

Entonces, ¿qué hacer? Bueno, algunos investigadores perdieron el ánimo; llegaron a la conclusión de que si hay tantas formas para las dimensiones adicionales y cada una da lugar a distintas características físicas, la teoría de cuerdas nunca dará predicciones definitivas, comprobables. Pero otros le dieron una vuelta al asunto y analizaron la posibilidad de un multiverso. Esta es la idea. Quizá todas estas formas estén en pie de igualdad unas con otras. Cada una es tan real como las otras, en el sentido de que hay muchos universos y en cada uno las dimensiones adicionales adquieren una forma diferente. Esta propuesta radical tiene un profundo impacto en este misterio: la cantidad de energía oscura revelada por los resultados de los premios Nobel.

Porque como ven, si hay otros universos y si esos universos tienen, digamos, formas diferentes para las dimensiones adicionales, luego las características físicas de cada universo serán diferentes y, en particular, la cantidad de energía oscura en cada universo será diferente. Lo que significa que el misterio de explicar la cantidad de energía oscura que hemos medido tendría un carácter totalmente diferente. En este contexto, las leyes de la física no podrían explicar un número para la energía oscura porque no habría un solo número, habría muchos números. Lo que significa que hemos estado haciéndonos la pregunta equivocada. La pregunta correcta es: ¿Por qué los seres humanos nos encontramos en un universo con una determinada cantidad de energía oscura, que hemos medido, en vez de en cualquier otra posibilidad de las existentes?

Y esa es una cuestión sobre la que podemos avanzar. Porque en esos universos que tienen mucha más energía oscura que el nuestro siempre que la materia trata de agruparse en galaxias, el empuje expansivo de la energía oscura es tan fuerte que dispersa el cúmulo y las galaxias no se forman. Y los universos en los que hay mucha menos energía oscura colapsan sobre sí mismos tan rápidamente que, de nuevo, las galaxias no se forman. Y sin galaxias, no hay estrellas, ni planetas ni posibilidad de nuestra forma de vida en esos otros universos.

Así que estamos en un universo con esa cantidad particular de energía oscura que hemos medido sencillamente porque nuestro universo tiene condiciones favorables a nuestra forma de vida. Y eso sería todo. Misterio resuelto, multiverso encontrado. Pero algunos piensan que esta explicación es poco satisfactoria. Estamos acostumbrados a la física que nos da explicaciones definitivas para los fenómenos que observamos. Pero la idea es que si el fenómeno que observamos puede aceptar, y lo hace, una gran variedad de valores distintos en el amplio panorama de la realidad, entonces pensar una explicación para un valor particular es llanamente erróneo.

Un viejo ejemplo es el del gran astrónomo Johannes Kepler que tenía una obsesión por comprender otro número: ¿por qué el Sol está a casi 150 millones de km de la Tierra? Trabajó durante décadas intentando explicar este número, pero nunca lo logró, y sabemos por qué. Kepler se hacía la pregunta equivocada.

Ahora sabemos que hay muchos planetas y una amplia variedad de diferentes distancias a sus estrellas. Así que esperar que las leyes de la física expliquen un número en particular, 150 millones de km, eso es sencillamente erróneo. En cambio, la pregunta correcta es: ¿por qué los seres humanos estamos en un planeta, a esta distancia en particular, en vez de estar a otra de las posibles distancias? De nuevo, eso es algo que podemos responder. En esos planetas que están mucho más cercanos a una estrella como el Sol haría tanto calor que nuestra forma de vida no existiría. Y los planetas que están mucho más lejos de esa estrella están tan fríos que, de nuevo, nuestra forma de vida no prosperaría. Así que estamos en un planeta a esta distancia en particular sencillamente porque brinda las condiciones esenciales para nuestra forma de vida. Y si se trata de planetas y sus distancias claramente este es el razonamiento correcto. La idea es que si se trata de universos y de la energía oscura que contienen también puede ser el razonamiento correcto.

Claro, una diferencia clave es que sabemos que hay otros planetas pero hasta ahora sólo he especulado con la posibilidad de que existan otros universos. Así que para juntar todo necesitamos un mecanismo que pueda generar otros universos. Y eso me lleva a mi última parte, la tercera parte. Porque los cosmólogos han encontrado este mecanismo tratando de entender el Big Bang. Ya ven, al hablar del Big Bang a menudo pensamos en una especie de explosión cósmica que creó nuestro universo y generó el espacio abruptamente.

Pero hay un pequeńo secreto. El Big Bang deja de lado algo muy importante, el Bang. Nos cuenta la evolución del universo después del Bang, pero no nos explica qué habría alimentado al propio Bang. Finalmente esta brecha se cubrió con una versión mejorada de la teoría del Big Bang. Se llama cosmología inflacionaria, e identifica un tipo particular de combustible que generaría en forma natural una expansión del espacio. El combustible se basa en algo llamado campo cuántico, pero el único detalle que nos importa es que este combustible resulta ser tan eficiente que es prácticamente imposible usarlo todo lo que significa en la teoría inflacionaria que el Big Bang que originó nuestro universo probablemente no fue un evento de única vez. Por el contrario, el combustible no sólo generó nuestro Big Bang sino que generaría otros incontables Big Bangs, cada uno dando lugar a su propio universo separado siendo nuestro universo sólo una burbuja en el gran bańo cósmico de burbujas de universos.

Y cuando fundimos esto con la teoría de cuerdas obtenemos esta imagen. Cada uno de estos universos tiene dimensiones adicionales que adoptan una amplia variedad de formas diferentes. Las diferentes formas producen fenómenos físicos diferentes. Y nosotros estamos en un universo y no en otro sencillamente porque sólo en nuestro universo los fenómenos físicos, como la cantidad de energía oscura, son adecuados para que prospere nuestra forma de vida. Y esta es la imagen convincente pero muy polémica de un cosmos más amplio que las teorías y observaciones de vanguardia nos han llevado a considerar seriamente.

Claro, una gran pregunta remanente es si alguna vez podremos confirmar la existencia de otros universos. Bueno, describiré una forma en que algún día puede ocurrir. La teoría inflacionaria ya cuenta con un fuerte apoyo observacional. Porque la teoría predice que el Big Bang habría sido tan intenso que a medida que el espacio se expandía rápidamente los pequeńos temblores cuánticos del mundo micro se habrían extendido en el mundo macro produciendo una huella distintiva, un patrón de puntos ligeramente más calientes y otros levemente más fríos, por el espacio, que ahora los telescopios más potentes han observado. Yendo más allá, si hay otros universos, la teoría predice que de vez en cuando esos universos pueden colisionar. Y si nuestro universo chocara con otro, esa colisión generaría un sutil patrón adicional de variaciones térmicas en el espacio que algún día podríamos detectar. Así que por más exótica que parezca esta imagen algún día podría fundamentarse en observaciones que establezcan la existencia de otros universos.

Concluiré con una consecuencia sorprendente de todas estas ideas para un futuro muy lejano. Como ven, aprendimos que nuestro universo no es estático, que el espacio está en expansión, que esa expansión se acelera y que habría otros universos todo a partir de examinar cuidadosamente tenues señales de luz estelar que nos llegan de galaxias lejanas. Pero dado que la expansión se acelera, en un futuro muy lejano esas galaxias se alejarán tanto y a tanta velocidad que no podremos verlas; no debido a limitaciones tecnológicas sino a las leyes de la física. La luz que emiten esas galaxias aún viajando a la máxima velocidad, la velocidad de la luz, no podrán sortear el abismo cada vez mayor que hay entre nosotros. Por eso los astrónomos en un futuro lejano al mirar el espacio profundo no verán más que una interminable extensión de una estática quietud azabache. Y concluirán que el universo es estático e invariable y está poblado por un oasis central de materia que ellos habitan; una imagen del cosmos que definitivamente sabemos que es errónea.

Pero quizá esos astrónomos del futuro tendrán registros de una época anterior, como la nuestra, que acredite un cosmos en expansión repleto de galaxias. Pero esos astrónomos futuros ¿creerían tales conocimientos antiguos? ¿O creerían en el universo negro, estático y vacío revelado por sus observaciones de vanguardia? Sospecho que creerían lo último. Lo que significa que estamos viviendo una época muy privilegiada en la que ciertas verdades profundas del cosmos todavía están al alcance del espíritu humano de exploración. Parece que puede que no siempre sea así. Porque los astrónomos de hoy, apuntando potentes telescopios hacia el cielo, capturaron un puñado de fotones con mucha información, una especie de telegrama cósmico, que viajó miles de millones de ańos. Y el mensaje que atravesó las eras es claro. A veces la naturaleza guarda sus secretos con el puño inquebrantable de las leyes físicas. A veces la verdadera naturaleza de la realidad llama desde más allá del horizonte.

Muchas gracias.

(Aplausos)

Chris Anderson: Brian, gracias. La gama de ideas de las que acabas de hablar es vertiginosa, emocionante, increíble. ¿En qué etapa está la cosmología hoy?, ¿en una especie de etapa histórica? En tu opinión, ¿estamos en medio de algo inusual en términos históricos?

BG: Bueno, es difícil de decir. Cuando nos enteramos de que los astrónomos del futuro lejano podrían no tener información para entender las cosas la pregunta natural es que quizá ya estamos en esa posición y ciertas características del universo, profundas, críticas, ya se han escapado a nuestra capacidad de comprensión debido a la forma en que evoluciona la cosmología. Desde ese punto de vista, quizá siempre nos haremos preguntas que nunca podremos responder plenamente.

Por un lado, ahora podemos entender la edad del universo. Podemos comprender cómo entender los datos de la radiación de fondo de microondas de hace 13 720 millones de ańos y podemos calcularlo hoy para predecir su aspecto y coincide. ¡Santo cielo! Eso es increíble. Por otro lado, es increíble lo que hemos conseguido pero quién sabe qué tipo de bloques podemos encontrar en el futuro.

CA: Estarás por aquí en los próximos días. Tal vez algunas de estas conversaciones puedan continuar. Gracias. Gracias, Brian. (BG: El placer es mío)

(Aplausos)

Tomado íntegro de Ted, Ideas que vale la pena difundir.
www.ted.com