Cuanto más curiosos nos pongamos sobre las grandes incógnitas cósmicas, más preguntas sin respuesta revelarán nuestras investigaciones del Universo. Indagar sobre la naturaleza de cualquier cosa — dónde está, de dónde vino y cómo llegó a ser — inevitablemente te llevará a los mismos grandes misterios: sobre la naturaleza última y el origen del Universo y todo lo que hay en él. Sin embargo, no importa lo lejos que vayamos, esas mismas preguntas persistentes siempre parecen permanecer: en algún momento, las entidades que son nuestro» punto de partida » no necesariamente existían, entonces, ¿cómo llegaron a existir? Eventualmente, terminas en la pregunta final: ¿cómo surgió algo de la nada? Como muchos de los interrogadores recientes, incluyendo a Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss y muchos otros, han escrito:

» De acuerdo, seguramente recibes esta pregunta sin fin, pero de todos modos te preguntaré: ¿Cómo surgió algo (el universo/el big bang) de la nada?»

Esta es quizás una de las preguntas más grandes de todas, porque básicamente se pregunta no solo de dónde salió todo, sino cómo surgió todo en primer lugar. Esto es lo que la ciencia nos ha llevado, al menos, hasta ahora.

Hoy, cuando miramos al Universo, el conjunto completo de observaciones que hemos recopilado, incluso teniendo en cuenta las incertidumbres conocidas, apuntan hacia una imagen notablemente consistente. Nuestro Universo está hecho de materia (en lugar de antimateria), obedece las mismas leyes de la física en todas partes y en todo momento, y comenzó, al menos, como lo conocemos, con un Big Bang caliente hace unos 13,8 mil millones de años. Se rige por la Relatividad General, se expande, se enfría y gravita, y está dominada por la energía oscura (68%) y la materia oscura (27%), con materia normal, neutrinos y radiación que componen el resto.

Hoy, por supuesto, está lleno de galaxias, estrellas, planetas, elementos pesados, y en al menos un lugar, vida inteligente y tecnológicamente avanzada. Estas estructuras no siempre estuvieron allí, sino que surgieron como resultado de la evolución cósmica. En un notable salto científico, los científicos del siglo 20 fueron capaces de reconstruir la línea de tiempo de cómo nuestro Universo pasó de un Universo en su mayoría uniforme, desprovisto de estructura compleja y que consiste exclusivamente en hidrógeno y helio, al Universo rico en estructuras que observamos hoy en día.

Si empezamos desde hoy, podemos retroceder en el tiempo y preguntarnos de dónde proviene cualquier estructura individual o componente de esa estructura. Para cada respuesta que recibimos, podemos preguntar:» está bien, pero de dónde vino y cómo surgió», volviendo hasta que nos vemos obligados a responder: «no lo sabemos, al menos no todavía.»Entonces, por fin, podemos contemplar lo que tenemos, y preguntarnos,» ¿cómo surgió eso, y hay alguna manera de que pudiera haber surgido de la nada?»

Así que, comencemos.

La vida que tenemos hoy proviene de moléculas complejas, que deben haber surgido de los átomos de la tabla periódica: las materias primas que componen toda la materia normal que tenemos en el Universo hoy. El Universo no nació con estos átomos; en su lugar, requerían múltiples generaciones de estrellas vivas y moribundas, con los productos de sus reacciones nucleares reciclados en generaciones futuras de estrellas. Sin esto, los planetas y la química compleja serían imposibles.

Para formar estrellas y galaxias modernas, necesitamos:

• gravitación para atraer galaxias pequeñas y cúmulos estelares entre sí, creando galaxias grandes y desencadenando nuevas ondas de formación estelar,
• que requirieron colecciones de masa preexistentes, creadas a partir del crecimiento gravitacional,
• que requieren la formación temprana de halos de materia oscura, evitando que los episodios de formación estelar expulsen esa materia de vuelta al medio intergaláctico,
• que requieren el equilibrio correcto de materia, materia oscura y radiación para dar lugar al fondo cósmico de microondas, los elementos de luz formados en el Big Bang caliente, y las abundancias / patrones que vemos en ellas,
• que requirieron fluctuaciones iniciales de semillas-imperfecciones de densidad – para crecer gravitacionalmente en estas estructuras,
• que requieren alguna forma de crear estas imperfecciones, junto con alguna forma de crear materia oscura y crear las cantidades iniciales de materia normal.

Estos son tres ingredientes clave que se requieren, en las primeras etapas del Big Bang caliente, para dar lugar al Universo tal como lo observamos hoy. Suponiendo que también requerimos que existan las leyes de la física y el espacio-tiempo en sí, junto con la materia/energía en sí, probablemente queramos incluirlas como los ingredientes necesarios que de alguna manera deben surgir.

Así que, en resumen, cuando nos preguntamos si podemos obtener un Universo de la nada o no, estas son las entidades novedosas, hasta ahora inexplicables, que necesitamos surgir de alguna manera.

Para obtener más materia que antimateria, tenemos que extrapolar de nuevo al Universo primitivo, a una época en que nuestra física es muy incierta. Las leyes de la física como las conocemos son en cierto sentido simétricas entre materia y antimateria: cada reacción que hemos creado u observado solo puede crear o destruir materia y antimateria en cantidades iguales. Pero el Universo que teníamos, a pesar de comenzar en un estado increíblemente caliente y denso donde la materia y la antimateria se podían crear en cantidades abundantes y copiosas, debe haber tenido alguna forma de crear una asimetría de materia/antimateria donde no existía inicialmente.

Hay muchas maneras de lograr esto. Aunque no sabemos qué escenario realmente tuvo lugar en nuestro joven Universo, todas las formas de hacerlo involucran los siguientes tres elementos:

1. un conjunto de condiciones fuera de equilibrio, que surgen naturalmente en un Universo en expansión y enfriamiento,
2. una forma de generar interacciones que violan el número de bariones, que el Modelo Estándar permite a través de interacciones con esfaleron (y los escenarios más allá del Modelo Estándar lo permiten de formas adicionales),
3. y una forma de generar suficiente violación de C y CP para crear una asimetría de materia/antimateria en cantidades lo suficientemente grandes.

El modelo estándar tiene todos estos ingredientes, pero no los suficientes. Si consideras un Universo simétrico de materia / antimateria como «un Universo sin nada», entonces está casi garantizado que el Universo generó algo de la nada, a pesar de que no estamos muy seguros de cómo sucedió exactamente.

Del mismo modo, hay muchas formas viables de generar materia oscura. Sabemos, a través de extensas pruebas y búsquedas, que sea lo que sea la materia oscura, no puede estar compuesta de ninguna partícula que esté presente en el Modelo Estándar. Cualquiera que sea su verdadera naturaleza, requiere una nueva física más allá de lo que se conoce actualmente. Pero hay muchas maneras en que podría haber sido creado, incluyendo:

• de ser creado térmicamente en el Universo temprano y caliente, y luego fracasar en aniquilarse por completo, permaneciendo estable a partir de entonces (como la partícula supersimétrica o Kaluza-Klein más ligera),
• o de una transición de fase que ocurrió espontáneamente a medida que el Universo se expandía y enfriaba, arrancando partículas masivas del vacío cuántico (por ejemplo, el axión),
• como una nueva forma de neutrino, que a su vez puede mezclarse con los neutrinos conocidos (i. e., un neutrino estéril), o como un neutrino diestro pesado que existe además de los neutrinos convencionales,
• o como un fenómeno puramente gravitacional que da lugar a una partícula ultramasiva (por ejemplo, un WIMPzilla).

¿Por qué hay materia oscura, hoy en día, cuando el resto del Universo parece funcionar bien al principio sin ella? Debe haber habido alguna forma de generar esta «cosa» donde no había tal cosa de antemano, pero todos estos escenarios requieren energía. Entonces, ¿de dónde viene toda esa energía?

Tal vez, de acuerdo con la inflación cósmica, nuestra principal teoría de los orígenes del Universo antes del Big Bang, realmente vino de la nada. Esto requiere un poco de explicación, y es lo que con más frecuencia se entiende por «un Universo de la nada».»(Incluyendo, por cierto, como se usó en el título del libro del mismo nombre.)

Cuando imaginas las primeras etapas del Big Bang caliente, tienes que pensar en algo increíblemente caliente, denso, de alta energía y casi perfectamente uniforme. Cuando preguntamos «cómo surgió esto», normalmente tenemos dos opciones.

1. Podemos ir por la ruta de Lady Gaga, y simplemente afirmar que debe haber nacido de esta manera.»El Universo nació con estas propiedades, que llamamos condiciones iniciales, y no hay más explicación. Como físicos teóricos, llamamos a este enfoque «renunciar.»
2. O podemos hacer lo que los físicos teóricos hacen mejor: tratar de inventar un mecanismo teórico que pueda explicar las condiciones iniciales, burlarse de predicciones concretas que difieren de las predicciones estándar de la teoría prevaleciente y luego salir a buscar medir los parámetros críticos.

La inflación cósmica se produjo como resultado de tomar ese segundo enfoque, y literalmente cambió nuestra concepción de cómo llegó a ser nuestro Universo.

En lugar de extrapolar «caliente y denso» a una singularidad infinitamente caliente, infinitamente densa, la inflación básicamente dice: «tal vez el Big Bang caliente fue precedido por un período en el que una densidad de energía extremadamente grande estaba presente en el tejido del espacio mismo, causando que el Universo se expandiera a un ritmo implacable (inflacionario), y luego cuando la inflación terminó, esa energía se transfirió a materia y antimateria y radiación, creando lo que vemos como el Big Bang caliente: las secuelas de la inflación.»

En detalles sangrientos, esto no solo crea un Universo con la misma temperatura en todas partes, planitud espacial y sin restos de reliquias de una época hipotética de gran unificación, sino que también predice un tipo y espectro particular de fluctuaciones de semilla (densidad), que luego salimos y vimos. A partir del espacio vacío en sí, aunque es un espacio vacío lleno de una gran cantidad de energía de campo, un proceso natural ha creado todo el Universo observable, rico en estructura, como lo vemos hoy en día.

Esa es la gran idea de obtener un Universo de la nada, pero no es satisfactorio para todos.

Para una gran fracción de la gente, un Universo donde el espacio y EL tiempo todavía existen, junto con las leyes de la física, las constantes fundamentales y alguna energía de campo no cero inherente al tejido del espacio mismo, está muy divorciado de la idea de la nada. Podemos imaginar, después de todo, un lugar fuera del espacio; un momento más allá de los confines del tiempo; un conjunto de condiciones que no tienen una realidad física que las restrinja. Y esas imaginaciones-si definimos estas realidades físicas como cosas que necesitamos eliminar para obtener la verdadera nada – son ciertamente válidas, al menos filosóficamente.

Pero esa es la diferencia entre la nada filosófica y una definición más física de la nada. Como escribí en 2018, hay cuatro definiciones científicas de nada, y todas son válidas, dependiendo de su contexto:

1. Un tiempo en el que tu «cosa» de interés no existía,
2. Espacio físico vacío,
3. Espacio-tiempo vacío en el estado de energía más baja posible, y
4. Lo que te quede cuando quites todo el Universo y las leyes que lo gobiernan.

Definitivamente podemos decir que obtuvimos «un Universo de la nada» si usamos las dos primeras definiciones; no podemos si usamos la tercera; y desafortunadamente, no sabemos lo suficiente para decir qué sucede si usamos la cuarta. Sin una teoría física que describa lo que sucede fuera del Universo y más allá de las leyes físicas del reino, el concepto de la verdadera nada está físicamente mal definido.

En el contexto de la física, es imposible dar sentido a una idea de la nada absoluta. ¿Qué significa estar fuera del espacio y el tiempo, y cómo pueden el espacio y el tiempo emerger de un estado de no existencia de manera sensata y predecible? ¿Cómo puede el espacio-tiempo emerger en un lugar o tiempo en particular, cuando no hay una definición de lugar o tiempo sin él? ¿De dónde surgen las reglas que rigen los cuantos, tanto los campos como las partículas —

Esta línea de pensamiento incluso asume que el espacio, el tiempo y las leyes de la física en sí mismas no eran eternas, cuando en realidad pueden serlo. Cualquier teorema o prueba de lo contrario se basa en suposiciones cuya validez no está sólidamente establecida bajo las condiciones que trataríamos de aplicarlas. Si aceptas una definición física de «nada», entonces sí, el Universo tal como lo conocemos parece haber surgido de la nada. Pero si dejas atrás las limitaciones físicas, entonces todo sobre nuestros orígenes cósmicos últimos desaparecerá.

Desafortunadamente para todos nosotros, la inflación, por su propia naturaleza, borra cualquier información que pueda estar impresa de un estado preexistente en nuestro Universo observable. A pesar de la naturaleza ilimitada de nuestra imaginación, solo podemos sacar conclusiones sobre asuntos para los cuales se pueden construir pruebas que involucren nuestra realidad física. No importa cuán lógica sea cualquier otra consideración, incluida la noción de la nada absoluta, es simplemente una construcción de nuestras mentes.

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