The Universe Is Made of Tiny Bubbles Containing Mini-Universes, Scientists Say
Images: Shutterstock. Composition: Cathryn Virginia. 

El universo está hecho de pequeñas burbujas que tienen dentro otros universos

La "espuma espacio-temporal" puede ser la cosa más extraña del universo conocido y solo estamos empezando a entenderla.
04 Noviembre 2019, 5:00am

Una incógnita cosmológica ha traído de cabeza a la comunidad científica desde 1917: ¿de qué está hecho el universo?

Para complicar más esta incógnita ya de por sí alucinante, resulta que las teorías con las explicaciones más plausibles se contradicen con nuestras observaciones del universo. Según el folclore científico, Albert Einstein se sentía particularmente responsable de haber introducido este problema, al que, por lo visto, llamaba su “mayor equivocación”.

Básicamente, la novedosa teoría de la relatividad de Einstein no se sostenía si se aplicaba a la descripción del conjunto del universo. La teoría de la relatividad general define la “geometría” del espacio-tiempo como una superficie parecida a un trampolín; los planetas son como bolas pesadas de bolos que distorsionan esa superficie, creando curvas. Si colocáramos una bola menos pesada (como una canica) cerca de una de bolos, se desplazaría rodando a su alrededor, tal como hacen los planetas en órbita. Por tanto, según esta explicación, las órbitas no son producto de la “fuerza” gravitacional, sino de la curvatura del espacio-tiempo.



Este postulado funcionaba si se tenían en cuenta pequeñas regiones del espacio-tiempo. Sin embargo, cuando Einstein lo aplicó al universo en su totalidad, sus predicciones no encajaban. Así que Einstein introdujo la “constante cosmológica”, un valor fijo que representa una especie de antigravedad, antimasa y antienergía que contrarresta los efectos de la gravedad.

Pero cuando los científicos descubrieron que el universo no permanecía estático, sino que estaba en constante expansión, como Einstein suponía, la constante cosmológica se estableció en cero y acabó ignorándose, más o menos. Sin embargo, al descubrirse que la expansión del universo se está acelerando, la comunidad científica no pudo descartar tan fácilmente la propuesta antigravedad de Einstein.

Lo que antes se creía que era espacio vacío debía ahora llenarse con enormes cantidades de misteriosa antienergía que sirviera de sustento para explicar las observaciones de la rápida expansión del universo. Incluso así, las observaciones de este movimiento expansivo sugieren que la energía es entre 60 y 120 órdenes de magnitud inferior a lo que predice la reciente teoría cuántica de campos.

"Lo que antes se creía que era espacio vacío debía ahora llenarse con enormes cantidades de misteriosa antienergía"

Eso significa que, de algún modo, toda esa energía adicional no se está considerando cuando se estudia el universo en conjunto; o bien está oculta o tiene una naturaleza muy distinta a la energía que conocemos.

Hoy, los físicos teóricos tratan de solventar estos misterios examinando la estructura del llamado “espaciotiempo” del universo a una escala lo más reducida posible, y los hallazgos son sorprendentes: puede que el espaciotiempo no sea ese plano-trampolín que imaginaban los científicos, sino una masa caótica y espumosa de burbujas en cuyo interior vivirían y morirían miniuniversos.

¿Qué es la espuma del espaciotiempo?

En su intento por explicar de qué está compuesto el vacío del universo, a lo largo de la historia los científicos han planteado la posibilidad de que, en efecto, estuviese formado por burbujas.

En 1955, el influyente físico John Wheeler postuló que, a nivel cuántico, el espaciotiempo no es constante, sino “espumoso”, y está compuesto por diminutas burbujas en constante cambio. Respecto a la materia de la que están “hechas” esas burbujas, investigaciones recientes sugieren que se trata, en esencia, de miniuniversos de corta vida que se forman dentro del nuestro.

La teoría de la espuma espaciotemporal cuadra muy bien con la incertidumbre y la indeterminación inherentes al mundo cuántico. La espuma espaciotemporal extiende la incertidumbre cuántica sobre la posición y el momento de las partículas al tejido mismo del universo, de tal modo que su geometría a muy pequeña escala deviene inestable, incoherente y variable.

"El espacio-tiempo parece liso a gran escala; al reducir la distancia, en cambio, vemos que su aspecto es irregular y espumoso"

Wheeler ilustró el concepto de la espuma del espacio-tiempo sirviéndose de la analogía con la superficie del océano, como también explicó el físico Y. Jack, de la Universidad de Carolina del Norte, en un email:

Imagínate que estás sobrevolando el océano en avión. A gran altura, el océano parece liso. Sin embargo, a medida que desciendes, empieza a mostrar sus irregularidades. Cuando estás lo suficientemente cerca de la superficie, aprecias burbujas y espuma. De forma similar, el espacio-tiempo parece liso a gran escala; al reducir la distancia, en cambio, vemos que su aspecto es irregular y espumoso.

El profesor Steven Carlip, de la Universidad de California, Davis, publicó en septiembre una nueva investigación basada en la teoría de la espuma cuántica de Wheeler para demostrar que las burbujas del espacio-tiempo podrían «ocultar» la constante cosmológica a gran escala.

"Existen gran cantidad de propuestas de resolución del problema de la constante cosmológica, y una buena señal para mi investigación es que ninguna de ellas ha sido ampliamente aceptada", señaló Carlip en una entrevista. "Me pareció apropiado buscar un enfoque que fuera menos ad hoc, que pudiera tener su origen en cosas conocidas o que sospechábamos".

La idea es que, en la espuma cuántica, cada punto del espacio-tiempo contiene la ingente cantidad de energía del vacío —el estado de la energía más bajo equivalente al “espacio vacío”— predicha por la teoría cuántica pero se comporta de forma distinta a otros puntos. Existe la misma posibilidad de que, por cada patrón de comportamiento específico que muestre un punto del espacio-tiempo, haya otro que muestre el comportamiento opuesto. Este es el rasgo de la espuma cuántica que “anula” la energía adicional y las expansiones a pequeña escala, lo cual se traduce en la energía reducida que observamos en el universo como un todo.

Para que esto funcione, ha de darse por supuesto que, a nivel cuántico, el tiempo no tiene una “dirección” intrínseca. Dicho de otro modo, no hay “flecha del tiempo”. Según Carlip, esta propuesta no es tan descabellada en el mundo cuántico. “La mayoría de los físicos coincidiría en que, a nivel fundamental, no conocemos la razón de la existencia de una flecha del tiempo”, añadió. “La idea de que, de algún modo, es ‘emergente’ a escalas mayores no es en absoluto nueva”.

"Cada punto del espacio-tiempo es un 'universo microcíclico' que pasa de la singularidad al Big Bang, colapsa, y repite el ciclo incesantemente"

Carlip se refiere a la espuma cuántica como “una estructura microscópica compleja”. Casi podría concebirse como un universo en expansión formado por diminutos universos que se expanden y contraen en cada punto del espacio-tiempo. Carlip cree que, con el tiempo, es posible que las áreas del espacio-tiempo en expansión repliquen esta compleja estructura y se llenen con diminutos universos en cada punto.

Un estudio publicado en agosto de 2019 analiza este supuesto más exhaustivamente. Sus autores, Qingdi Wang y William G. Unruh, de la Universidad de Columbia Británica, señala que todos los puntos del espacio-tiempo pasan por un ciclo de expansión y contracción, como si fueran versiones en miniatura de nuestro universo. Según su teoría, cada punto del espacio-tiempo es un “universo microcíclico” que pasa de la singularidad al Big Bang, colapsa, y repite el ciclo incesantemente.

Los ordenadores más pequeños del universo y la teoría del todo

Podría decirse que la espuma cuántica está en boga, no solo como solución al problema de la constante cosmológica, sino también para abordar otros enigmas de la física, como los agujeros negros, los ordenadores cuánticos y la energía oscura.

Un artículo de Ng que verá la luz en breve sugiere que la espuma espaciotemporal es la clave para unificar y explicar de una vez por todas fenómenos tanto a escala cuántica como cosmológica, y avanzar hacia la escurridiza teoría del todo. Esta teoría explicaría áreas de la física que actualmente son independientes y, en ocasiones, contradictorias, en un marco único y coherente.

Al igual que Carlip, Ng también aprecia el gran valor que supone usar un modelo de burbujas espaciotemporales para una constante cosmológica positiva. Para hacerlo, Carlip considera las “burbujas” de la espuma cuántica como los ordenadores más diminutos del universo, que cifran y procesan información.

Recuerda: la espuma cuántica del espacio-tiempo contiene burbujas de incertidumbre. Para medir en qué medida el espacio-tiempo es “burbujeante”, Ng propone un experimento de reflexión, en el que debemos imaginar relojes agrupados en un volumen esférico de espacio-tiempo que transmite y recibe señales y mide el tiempo que estas tardan en llegar.

“Este proceso de cartografiar la geometría es una forma de computación en la que las distancias se miden transmitiendo y procesando información”, decía en su investigación.

Utilizando otras relaciones conocidas entre la energía y la computación cuántica y el límite de masa que puede contener la esfera sin convertirse en un agujero negro, Ng postulaba que la incertidumbre contenida en el universo a escala cuántica y que determina con qué precisión (o imprecisión) podemos medir la geometría del espacio-tiempo también limita la cantidad máxima de información que estos ordenadores burbuja pueden almacenar y su potencia computacional.

"No solo es posible medir y explorar conceptualmente la espuma cuántica, sino que su existencia permite explicar la aceleración del universo"

Al extrapolar este resultado al conjunto del universo, en lugar de a un volumen aislado de espacio-tiempo, Ng demuestra que la espuma cuántica es equivalente a la energía y la materia oscura, puesto que la materia ordinaria no será capaz de almacenar y computar la cantidad máxima de información que Ng obtiene de sus mediciones.

“La existencia de espuma cuántica, apoyándonos en consideraciones termodinámicas, parece implicar la coexistencia de un sector oscuro (además de la materia ordinaria)”, nos explicó Ng. “Esta línea de investigación no es común en la comunidad de físicos, pero le veo sentido”.

La principal conclusión del trabajo de Ng es: no solo es posible medir y explorar conceptualmente la espuma cuántica, sino que su existencia permite explicar la aceleración del universo mediante la vinculación de la física cuántica, la relatividad general y la energía oscura. Ng cree que es posible llegar a la teoría del todo.

“Al final, lo que me gustaría, y, sobre todo, lo que me gustaría animar a otros a que intentaran, es ir más allá de la consideración de la espuma cuántica y comprobar si la mecánica cuántica y la gravitación son fenómenos emergentes, y si la termodinámica (cuya protagonista es la entropía) es la clave para entender las leyes de la naturaleza”, añadió.

El futuro de la investigación de la espuma

Conceptualmente, la espuma cuántica resuelve muchos de los problemas pendientes entre la física cuántica y la cosmología. Pese a ello, tanto Ng como Carlip señalan que es preciso seguir investigando para entender la naturaleza del espacio-tiempo.

Carlip está trabajando en un modelo cuantitativo de la espuma espaciotemporal para complementar el modelo teórico propuesto actualmente. Carlip denomina este modelo “minisuperespacio” y espera que los físicos que investigan otros enfoques a la intersección cuántica-cosmológica puedan hallar ejemplos del modelo en su propio trabajo, sabiendo cómo buscarlos. Para empezar, Carlip explica que analizará una serie de simulaciones numéricas que sirvan de apoyo al modelo.

Pasar a un modelo más allá del cuantitativo requerirá un enfoque colectivo. “Me encantaría contar con personas que estén trabajando desde distintos enfoques la gravedad cuántica, la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles, la seguridad asintótica, etc., buscaran este tipo de fenómenos en sus investigaciones para comprobar si es posible establecer alguna relación”, señala Carlip.

Ng coincidía en la necesidad de llevar a cabo investigaciones específicas que fueran transversales a las distintas áreas de la física teórica. Pero sus aspiraciones van más allá: llegar a una teoría unificada que englobe mecánica cuántica, gravedad y termodinámica para explicar los misterios del universo.