MODELO COSMOLOGICO DE SUPERCUERDAS-1

Los seres humanos a lo largo de la historia han manifestado un impulso apasionado por conocer el origen del Universo. Quizá no exista una sola cuestión que trascienda de tal manera las divisiones culturales y temporales, ya que ha inspirado tanto la imaginación de nuestros más remotos antepasados, como la investigación de los cosmólogos modernos. A un nivel profundo, existe un ansia colectiva por lograr una explicación de por qué hay un Universo, cómo ha llegado a adoptar la forma en que lo conocemos y cuál es el principio racional que impulsa su evolución. Lo asombroso es que la humanidad ha llegado actualmente a un punto en que surge un marco especial para responder a algunas de estas cuestiones científicamente.

La teoría científica de la creación que se acepta hoy en día afirma que el Universo sufrió las condiciones más extremas -energía, temperatura y densidad elevadísimas- durante sus primeros momentos. Estas condiciones, por lo que se sabe actualmente, requieren que se tengan en cuenta tanto la mecánica cuántica como la gravedad, y por consiguiente el nacimiento del Universo proporciona un amplio escenario para aplicar las ideas de la teoría de las supercuerdas. Discutiremos luego estas ideas incipientes, pero primero haremos un breve relato de la historia cosmológica anterior a la teoría de cuerdas, una historia que a menudo se menciona denominándola modelo estándar de cosmología.

Pero ¿hasta qué punto podemos realmente "tener fe" en la teoría del big bang?

Observando el Universo con sus más poderosos telescopios, los astrónomos pueden ver la luz que emitieron las galaxias y los quásares unos pocos miles de millones de años después del big bang. Esto les permite verificar la expansión del Universo, predicha por la teoría del big bang, hasta esta primera fase, y todo encaja perfectamente. Para comprobar la teoría hasta tiempos aún más remotos, los físicos y los astrónomos han de utilizar métodos más indirectos. Uno de los métodos más precisos incluye algo que se conoce como radiación cósmica de fondo.

Si alguna vez ha tocado usted un neumático de bicicleta después de inflarlo con aire vigorosa y completamente, sabe que resulta caliente al tacto. Parte de la energía que se ha gastado en el movimiento repetido de bombeo se transfiere, convirtiéndose en un aumento de la temperatura del aire dentro del neumático. Esto refleja un principio general: en una amplia variedad de condiciones, cuando los objetos se comprimen, se calientan. Razonando a la inversa, cuando algo logra descomprimirse -expandirse- se enfría. Los aparatos de aire acondicionado y los refrigeradores se basan en estos principios: unas sustancias, tales como el freón, son sometidas a ciclos repetidos de compresión y expansión (así como evaporación y condensación) para hacer que el calor fluya en la dirección deseada. Aunque se trata de fenómenos sencillos de la física terrestre, resulta que estas sencillas observaciones tienen una profunda significación dentro del cosmos en su conjunto.

Vimos anteriormente que, después de que los electrones y los núcleos se unieran para formar átomos, los fotones quedaron libres para viajar sin obstáculos a través del Universo. Esto significa que el Universo está lleno de un `gas de fotones' que viaja de un lado para otro y que se distribuye uniformemente por todo el cosmos. Cuando el Universo se expande, este gas de fotones que se desplaza libremente formando corrientes también se expande, ya que, en realidad, el Universo es el contenedor en el que el gas está encerrado. Así, del mismo modo que la temperatura de un gas más convencional (como el aire que llena un neumático de bicicleta) disminuye cuando el gas se expande, la temperatura de este gas de fotones disminuye cuando el Universo se expande.

De hecho, algunos físicos, remontándonos a George Gamow y sus discípulos Ralph Alpher y Robert Hermann en la década de 1950, y Robert Dicke y Jim Peebles a mediados de la década de 1960; descubrieron que el Universo actual tendría que estar impregnado por un baño casi uniforme de esos fotones iniciales, que, a lo largo de los últimos 14,7 mil millones de años de expansión cósmica, se han enfriado hasta una temperatura de unos pocos grados sobre el cero absoluto. En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, de los Laboratorios Bell de Nueva Jersey, realizaron accidentalmente uno de los más importantes descubrimientos de nuestra era, al detectar este resplandor crepuscular del big bang cuando estaban trabajando en una antena destinada a ser utilizada con los satélites de comunicaciones.

Otras investigaciones posteriores han perfeccionado la teoría y las pruebas experimentales, como las mediciones realizadas por el satélite COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA a principios de la década de 1990, y otras posteriores. Con estos datos, los físicos y los astrónomos han confirmado con una alta precisión que el Universo está lleno de radiaciones de microondas (si nuestros ojos fueran sensibles a las microondas veríamos un resplandor difuso en el mundo que nos rodea) cuya temperatura es de unos 2,7 grados sobre el cero absoluto, lo cual concuerda exactamente con las expectativas de la teoría del big bang. Concretamente, en cada metro cúbico del Universo -incluido el que ocupa usted ahora mismo- hay, como media, unos 400 millones de fotones que constituyen en conjunto el amplio mar cósmico de la radiación de microondas, un eco de la creación. Un porcentaje de la «nieve» que usted ve en la pantalla del televisor, cuando desconecta la alimentación por cable y sintoniza una emisora que ha terminado su horario de emisiones, se debe a esta leve secuela del big bang. Esta concordancia entre la teoría y los hechos experimentales confirma el relato del big bang que hace la cosmología en una retrospectiva que llega hasta el momento en que los fotones empezaron a moverse libremente por el Universo, unos pocos cientos de miles de años «después de la explosión», es decir, «ATB» (after the bang).

¿Podemos retroceder aún más con nuestra comprobación de la teoría del big bang hasta épocas anteriores? Sí podemos. Aplicando principios estándares de la teoría nuclear y de la termodinámica, los físicos pueden hacer predicciones concretas sobre la abundancia relativa de los elementos ligeros producidos durante el período de la síntesis nuclear primordial, que se sitúa entre una centésima de segundo y unos pocos minutos ATB (después de la explosión). En teoría, por ejemplo, alrededor del 23 por 100 del Universo tendría que estar compuesto por helio. Midiendo la cantidad de helio que hay en las estrellas y en las nebulosas, los astrónomos han reunido pruebas con las que justificar que, de hecho, esta predicción es acertada. Quizá sean aún más impresionantes la predicción y la confirmación relativas a la cantidad de deuterio, ya que no hay esencialmente ningún proceso astrofísico, salvo el big bang, que pueda ser responsable de esta pequeña pero clara presencia del deuterio por todo el cosmos. La confirmación de estas cantidades, y más recientemente de la de litio, constituye una inteligente comprobación de nuestros conocimientos sobre la física del Universo inicial, remontándonos hasta la época de la primera síntesis de estas cantidades.

Esto es tan impresionante que puede llevamos a un orgullo arrogante. Todos los datos de que disponemos confirman una teoría de la cosmología capaz de describir el Universo desde aproximadamente una centésima de segundo después del big bang hasta el presente, casi unos 15 mil millones de años más tarde. Sin embargo, no deberíamos perder de vista el hecho de que el recién nacido Universo evolucionó con una enorme rapidez. Unas diminutas fracciones de segundo -fracciones mucho menores que una centésima de segundo- constituyen épocas cósmicas durante las cuales quedaron fijadas por primera vez unas características del Universo que habrían de mantenerse a muy largo plazo. Así, los físicos han continuado avanzando, intentando explicar cómo era el Universo en épocas aún más tempranas.

Dado que el Universo se hace cada vez más pequeño, más caliente y más denso a medida que vamos hacia atrás, cada vez resulta más importante realizar una descripción mecánico-cuántica de la materia y de las fuerzas. Como ya hemos visto en capítulos anteriores, desde otros puntos de vista, la teoría cuántica de campos referida a las partículas puntuales funciona hasta que las energías típicas de las partículas se sitúan en torno a la energía de Planck. En un contexto cosmológico, esto sucedía cuando la totalidad del Universo conocido cabía dentro de una nuez del tamaño de la longitud de Planck, produciendo una densidad tan grande que agota cualquier posibilidad de hallar una metáfora adecuada o una analogía explicativa: la densidad del Universo cuando había transcurrido el tiempo de Planck era sencillamente colosal.

Con tales energías y densidades, la gravedad y la mecánica cuántica no pueden seguir tratándose como dos entidades separadas, tal y como aparecen en la teoría cuántica de campos referida a partículas puntuales. En vez de esto, el mensaje central es que con estas energías enormes, y con cualesquiera otras superiores, debemos apelar a la teoría de cuerdas. En términos temporales, nos encontramos con estas energías y densidades cuando hacemos pruebas con anterioridad al tiempo de Planck de 10-43 segundos ATB (después de la explosión), y por lo tanto este tempranísimo momento es el banco de pruebas cosmológico de la teoría de cuerdas.

Vayamos hacia esta época, viendo primero lo que nos dice la teoría cosmológica estándar sobre lo que era el Universo antes de una centésima de segundo ATB, pero después del tiempo de Planck.

                                                                                                                                                              (Continuará)

                                                                                                                                    © JAVIER DE LUCAS