Por qué hay algo en vez de nada: qué nos dice la ciencia acerca del origen cuántico del universo

El germen de este artículo se lo debemos en cierto modo al matemático, filósofo y lógico alemán Gottfried Leibniz. El limitado pero muy meritorio grado de desarrollo del conocimiento científico en el siglo XVII no le impidió preguntarse acerca del auténtico origen del universo. Acerca de la naturaleza de la materia. Acerca de la causa de la misma existencia.

Probablemente otras personas se habían formulado estas preguntas antes que él, pero Leibniz nos ha legado una colección extraordinariamente valiosa de documentos que recogen sus reflexiones, y sin los que quizá no podríamos interpretar en toda su plenitud las contribuciones esenciales que hizo en matemáticas, física, lógica, metafísica, geología o filosofía, entre otras disciplinas.

Leibniz es, y no exagero lo más mínimo, uno de esos gigantes sobre cuyos hombros se erige el conocimiento científico actual. Desafortunadamente falleció sin siquiera poder rozar con la punta de los dedos la respuesta a una de las preguntas que, según sus escritos, más le inquietaban. Por qué hay algo en vez de nada. Cuál es la auténtica causa de la existencia.

Afortunadamente sus reflexiones y el conocimiento que nos ha transmitido han inspirado a muchísimos investigadores que, valiéndose del desarrollo científico que hemos alcanzado durante el siglo XX y las dos primeras décadas del XXI, han conseguido formular hipótesis que pretenden explicar cuál es la naturaleza de la materia. Cómo es posible que el universo que conocemos haya surgido del vacío, que es lo que parecen reflejar nuestras observaciones. Pero no de cualquier vacío. Del auténtico vacío: el vacío cuántico.

De la idea clásica del vacío al vacío cuántico

Una manera de definir el vacío con la que es fácil sentirse cómodo consiste en describirlo como una región del espacio en la que hay una ausencia absoluta de materia y energía. Esta es la concepción clásica del vacío, y nos invita a aceptar que pueden existir, y de hecho existen, diferentes grados de vacío que es posible identificar comparando la presión en la región del espacio que queremos medir con la presión atmosférica.

Sin embargo, esta visión ha sido superada por la ciencia moderna. El desarrollo de la mecánica relativista y la mecánica cuántica ha permitido a los científicos elaborar una descripción del vacío mucho más ajustada a la realidad en la que se concibe como un estado físico de un sistema que está vinculado a la mínima energía que este puede tener. Las implicaciones de esta idea, que ha sido comprobada experimentalmente, son muy profundas. Y también muy sorprendentes.

Desde la perspectiva de la mecánica cuántica el vacío no está vacío; contiene ondas que se originan al azar. Además, estas ondas se comportan como partículas, por lo que una forma de definir este vacío cuántico consiste en describirlo como una sopa de partículas que surgen y se destruyen con mucha rapidez. Esto es lo que se conoce como fluctuaciones del vacío, y la mejor herramienta que tenemos para entenderlas es el principio de indeterminación de Heisenberg.

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No necesitamos conocer qué nos dice este principio en toda su extensión, pero para seguir adelante nos viene bien saber que es un teorema que defiende que en los sistemas físicos descritos por la mecánica cuántica, que estudia las propiedades de la naturaleza a escala atómica, no podemos determinar simultáneamente el valor de todos los parámetros físicos que podemos observar. En mecánica clásica podemos describir un sistema físico cualquiera enumerando el valor de los parámetros que podemos medir, pero en mecánica cuántica no podemos hacerlo.

El vacío del espacio no está en absoluto vacío. Contiene, cuando menos, trazas de materia, así como rayos cósmicos y la radiación cósmica de fondo.

De hecho, el principio de indeterminación sentencia que hay algunos pares de magnitudes, como la posición y el momento de una partícula, que no están definidos simultáneamente. Esto significa que cuanto más nos esforcemos para medir su posición menos información tendremos acerca de su momento lineal, que está definido por su masa y su velocidad en un instante determinado.

Y sucede lo mismo a la inversa: cuanta mayor sea la precisión con la que medimos la cantidad de movimiento de una partícula más incertidumbre tendremos a la hora de determinar su posición en un instante determinado. El principio de indeterminación de Heisenberg es una herramienta muy valiosa que nos ayuda a entender las fluctuaciones del vacío debido a que establece una relación de indeterminación entre el valor de la energía de un sistema y el tiempo que invertimos en medirla.

La consecuencia inmediata de esta relación es que si, como hemos visto, el vacío no está vacío, sino que contiene ondas que se comportan como partículas, también contiene energía, y se manifiesta bajo la forma de un campo. Además, un campo no puede tener una energía fija en cualquier instante, lo que implica que en el vacío la energía de los campos no puede ser constante. Fluctúa continuamente. Este es el punto de partida de la siguiente sección del artículo.

La teoría de la inflación cósmica y el origen del universo

Las medidas que han obtenido los científicos experimentalmente sugieren que el universo surgió del vacío. Del vacío cuántico repleto de fluctuaciones que acabamos de describir. Aún no tenemos una teoría que explique de forma categórica el origen del universo, pero la más aceptada debido a que cuenta con respaldo observacional, lo que no ha impedido que también tenga detractores, es la inflación cósmica.

Todavía queda mucho por hacer, y continúa habiendo muchos fenómenos que no podemos explicar, pero los científicos confían en que el desarrollo tecnológico nos permita obtener medidas más precisas que puedan ser utilizadas en el futuro para corregir y desarrollar más las teorías actuales, o bien para elaborar otras nuevas.

El germen de la teoría de la inflación cósmica es la idea de que el universo partió de un estado de vacío de un campo al que los científicos llaman inflatón. En aquel momento primigenio este era el único campo que existía, y presumiblemente se extendía por todo el espacio, al que se le presupone una extensión infinita. Una propiedad del inflatón consiste en que podía persistir en un estado de falso vacío en el que carecía de partículas asociadas al campo, pero sin permanecer en su estado de mínima energía.

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Lo curioso es que al introducir desde un punto de vista teórico la gravedad en este escenario el inflatón adquiere una enorme repulsión gravitatoria responsable de la expansión del propio espacio. Esto es lo que se conoce como inflación. Los físicos teóricos que defienden esta teoría creen que el inflatón tenía un perfil energético similar al del campo de Higgs, pero se diferenciaba de este en que podía adoptar un estado de falso vacío en el que su energía no era la mínima posible.

La teoría de la inflación cósmica propone que el espacio estaba ocupado por un campo, el inflatón, que se encontraba en un estado de falso vacío aquejado por fluctuaciones cuánticas que lo invitaban a alcanzar su estado de mínima energía. Esta transición del falso vacío al vacío real provocó, según esta teoría, el nacimiento de nuestro universo.

De hecho, inicialmente el inflatón debía de encontrarse en este estado de falso vacío, pero con una marcada tendencia a alcanzar un estado de vacío real. Durante su caída a este último estado debía de estar sometido a una gravedad repulsiva, lo que, como hemos visto, provocaría la expansión del espacio en el que se encontraba este campo. Al alcanzar el valor mínimo de energía el inflatón podía verse sometido a unas fluctuaciones que lo incitarían a incrementar su nivel de energía y a disipar su energía inicial.

Si, como acabamos de ver, el campo tendía a alcanzar un estado de vacío real desde un estado de falso vacío en el que su energía era más alta, la única estrategia posible consistía en liberar su energía inicial. Y esto nos lleva a la idea culminante de esta teoría: la mecánica cuántica defiende que la liberación de energía se lleva a cabo generando campos y sus partículas asociadas, de manera que los físicos que defienden la teoría de la inflación cósmica creen que este fue el mecanismo que propició la creación de los campos y las partículas que componen el universo en el que vivimos.

En este artículo tan solo hemos arañado la superficie porque nuestra intención es que sea lo más asequible posible, pero si os ha gustado y queréis que sigamos indagando en el origen del universo en otros reportajes hacédnoslo saber en los comentarios. No cabe duda de que es un tema complicado, pero también es apasionante y nos encantaría zambullirnos en él junto a vosotros.

Imagen de portada | Alex Andrews

Imágenes | Alex Andrews | Mohan Reddy Atalu