El Cedazo

En la entrada anterior de esta miniserie hicimos un repaso acerca de algunas posibilidades teóricas de evolución del Universo. En la entrada de hoy seguiremos con el mismo tema, pero particularizando con una primera tanda de los modelos más populares que se manejan hoy en día. Para situarnos, vamos a repetir la figura que resumía la casuística teórica más elemental.

Se trataban de casos de universos con diversos componentes y diferentes curvaturas. Uno de ellos lo podemos recordar en la figura anterior. Se trata del caso de la curva naranja en el que con el tiempo el Universo colapsa sobre sí mismo volviendo progresivamente a concentrar la materia/energía hasta un punto de máxima densidad y temperatura. Lo que se conoce como el modelo del Gran Colapso, el Big Crunch. Podríamos decir que el punto de llegada es semejante al de partida, el de la “explosión” del Big Bang, tras haber realizado un rebobinado de la película del Universo. Aunque exactamente no sería una vuelta especular del viaje de ida, entre otras cosas porque en el punto final se va a concentrar no sólo la radiación inicial, la del fondo de microondas, sino también toda la radiación residual generada a lo largo de la vida de nuestro personaje. Una radiación que surgió durante la “ida” a partir de materia transmutada… de la que hablaremos más adelante en esta miniserie. Al ser la acción gravitatoria de la radiación mayor que la de la materia, la recesión del Universo va a ser más rápida que la contrapartida durante su expansión. Además, dependiendo del momento en que se inicie la contracción, en el Universo nos vamos a encontrar con más o menos estrellas, o ninguna, y muchos más agujeros negros cuyo número lógicamente se va a incrementar en el proceso contractivo. Dos mundos sometidos a las mismas reglas pero con evoluciones muy distintas. Dos mundos de ida y vuelta que pueden extenderse a lo largo de muchos muchos eones, tantos como 10¹¹años^[1] aunque hay gente que opina que el cambio de sentido de la expansión, de acelerada a decelerada, puede ser muy rápido, ya que se producirá dentro de tan solo 100 millones de años, para pasar después a una fase de contracción más lenta que puede durar hasta 10⁹ millones de años.^[2]

Pero supongamos que en el momento de la inflexión aún había estrellas. Al iniciarse la marcha atrás contractiva hacia el colapso definitivo las estructuras del Universo no se van a enterar de nada, las estrellas seguirán naciendo y luciendo, mientras las galaxias seguirán sus bailes y fusiones mutuas. Incluso el Universo observable será el mismo, al menos durante el tiempo que tarde la luz que venga desde el momento de la inflexión. Pero el camino se habrá torcido ya sin remedio. Y a partir de un momento la marcha atrás solamente será reconocible porque ya no habrá un corrimiento al rojo en la radiación observada: a partir de ahora todo convergerá hacia el azul. La temperatura de fondo irá aumentando mientras todo se aproxima. En la actualidad las galaxias ocupan más o menos el 1% del volumen del Universo, pero cuando en el colapso el volumen total llegue a ser una quinta parte del actual, todo será un omnipresente supercúmulo de galaxias, aunque estas mantendrán aun su dinámica independencia gravitacional. La contracción continuará irremisiblemente mientras la temperatura se irá haciendo más y más infernal, una ardiente radiación térmica que impregnará el universo amenazando la existencia de los cúmulos, las galaxias, las estrellas, los planetas e incluso las moléculas y los átomos, que se irán destruyendo a medida que avance la contracción. Y volverá el mundo de los bariones, el del plasma quark-gluón, el de la unión de las fuerzas fundamentales, gravedad incluida, cuando solamente quede de vida un tiempo de Planck. CRUNCH.^[3]

Hay otras teorías que se apoyan en la idea de un universo de ida y vuelta, pero en ese caso a través de repeticiones cíclicas de crunchs: la muerte de un universo engendraría el nacimiento del siguiente. Se trataría del caso de Gran Rebote, Big Bounce, basado en la teoría cuántica. Según ésta el espacio no es suave y continuo, sino que consta de cuantos indivisibles de 10^-35 metros de diámetro -longitud de Plank- que constituyen una especie de “átomos” espacio-temporales. Estos “átomos” del espacio-tiempo forman una malla densa en continuo cambio -principio de incertidumbre- que en condiciones normales nunca podremos apreciar. Lo que el físico Carlo Rovelli en su libro “El orden del tiempo” describe como el incesante ondular del campo gravitatorio.^[4] Y como un espacio cuántico tiene una capacidad de almacenar energía finita, al igual que una galleta tiene una capacidad finita de absorber leche, a medida que aumenta y aumenta la densidad en la fase final de la contracción, el comportamiento de la física dentro de la espuma espacio-temporal cuántica cambia, modificando la naturaleza de la gravedad, que adquiere un modo repulsivo que expande al espacio a ritmo acelerado.^[5] Cosa que sucedería en el brevísimo punto de inflexión, tan breve como el tiempo de Plank de 10^-43 segundos, cuando el universo temprano tendría una densidad finita equivalente a un billón de soles concentrados en el tamaño de un protón. A medida que la densidad se va relajando, la gravedad pasa a ser la fuerza de atracción habitual para nosotros.

Y aunque sea una teoría antigua, del año 1934, no me resisto a comentar lo que puede resultar un matiz aun más curioso de los rebotes “eternos”.^[6] Un poco más arriba dijimos que durante la fase de recesión la población de la radiación tuvo que ser mayor y la de la materia, menor, que en el equivalente “momento simétrico” del viaje de ida. Y que eso hacía que la caída hacia el Crunch, por simples motivos gravitatorios, fuera más rápida que el despegue desde el Bang. Si se diera el rebote habría que pensar que el universo que nace del nuevo Bang se expandiría a una mayor velocidad, con una mayor energía fundacional, que el del Bang anterior. La consecuencia es que el universo se expandiría hasta un tamaño mayor en cada ciclo. Si eso fuera así llegará un momento en el que el correspondiente último eslabón de la cadena de universos tendría una vida tan larga que su evolución no se diferenciará mucho de la que se puede describir durante la muerte térmica (de la que hablaremos con mucho detalle en entradas posteriores).

Apoyado en la idea de renacimiento cósmico, el cosmólogo Roger Penrose, ganador del Nobel de Física de 2020, ideó un nuevo escenario que consistía en la concatenación, diríamos que eterna, de una serie de ese tipo de renacimientos, un rosario de bigbangs siguiendo un ciclo de episodios que no tienen por qué ser iguales. Todo ello conforma el modelo de Cosmología Cíclica Conforme por el que el universo se repite a través de iteraciones infinitas, en las cuales el infinito final térmico de cada una de ellas se identifica con la singularidad del Big Bang de la siguiente. Así, nuestro Big Bang habría sido el fruto del desvanecimiento por la muerte térmica de un universo anterior.

Cadena de Universos según el modelo de Cosmología Cíclica Conforme (Imagen a partir de “Ciclos del tiempo: Una extraordinaria nueva visión del universo”, figura 3, Roger Penrose, 2011, DEBOLSILLO, fair use)

Penrose observó que en la muerte térmica prácticamente los últimos “habitantes” van a ser los fotones y los gravitones. Partículas sin masa en reposo y que se mueven a la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial para esas partículas no corre el tiempo ni se mueven en su espacio. Luego, en este momento, pierde el sentido la geometría que explica el espacio-tiempo de Einstein. Lo mismo pasa en los inicios del nuevo universo cuando las partículas existentes se mueven a velocidades relativistas que “oscurecen” el influjo de sus masas en reposo. Para ellas tampoco tiene sentido el espacio-tiempo de Einstein. Como consecuencia pierden también sentido los cambios de escala “normales”, en nuestro caso desde un universo inmenso anterior a un universo puntual posterior. Penrose postula que en esos momentos sin barreras de tiempo y espacio los procesos físicos queden dominados por leyes invariantes bajo transformaciones conformes, es decir, ciegas al factor de escala.

La geometría conforme se convierte así en la principal estructura espacio-temporal del universo primigenio^[7] puesto que su continuidad, cuando un viejo universo se disipe, va a permitir que se empalme de forma suave con la del nuevo universo posterior. Si se produjera una transformación de “aplastamiento” conforme en el final remoto, los valores nulos de la temperatura y la densidad a los que se llega en el momento de la extinción alcanzarían valores finitos.^[8] A continuación un “estiramiento” conforme en el inicio de cada eón enfriaría su elevadísima temperatura de nacimiento y haría finita su densidad abriendo un camino de crecimiento entrópico donde todo vuelve a ser posible. Durante el salto se mantendría inalterada la actividad física de un universo que, como hemos dicho, no tiene masa efectiva (no tiempo, no espacio) por tratarse de un simple reescalada conforme. De esta manera el futuro remoto de cada eón enlazaría suavemente con el remoto pasado del siguiente gracias a la geometría conforme.

Roger Penrose, “Ciclos del tiempo”, página 178: “…el universo muy primitivo y el futuro muy remoto parece se incómodamente similares uno a otro. Por supuesto, no son realmente similares en el sentido de ser casi idénticos, pero son “alarmantemente” similares de acuerdo con el uso que se hace normalmente de esa palabra en geometría euclidiana, a saber, que la diferencia entre los dos parece ser básicamente tan sólo un enorme cambio de escala.”^[9]

Y a pesar de los interrogantes que presenta el modelo para muchos teóricos,^[10] el caso es que Roger Penrose y el físico matemático Vahe Gurzadyan creen tener argumentos para soportar el modelo cíclico conforme. Parten de la idea de que, en el ciclo anterior al nuestro, los eventos de choques y fusiones de los “últimos” y solitarios agujeros negros pudieron producir enormes liberaciones de energía en forma de ráfagas de radiación gravitacional. Estas ondas esféricas atravesarían el punto de fusión entre universos no como ondas gravitacionales sino como ráfagas esféricas de energía, en su mayoría isotrópicas, que afectarían al plasma inicial de nuestro Universo por donde si irían transmitiendo hasta el momento de la recombinación, 380.000 años tras el Big Bang.

Por lógica, esos impulsos quedarían reflejados en la distribución de temperaturas del fondo de microondas, dejando algo así como unos anillos concéntricos de temperatura ligeramente diferente al promedio. Y efectivamente, el estudio de los datos del WMAP parecen indicar la existencia de esos círculos con una temperatura al menos 15μK inferior al promedio.^[11] ¿estaremos cabalgando a lomos de un toro mecánico cósmico?

Abajo: según el modelo cíclico conforme, diagrama del efecto de un proceso pre-Big Bang fuente de eventos violentos (pudiera ser un supermasivo encuentro de agujeros negros). Arriba: Una región del mapa del fondo de microondas obtenida en el proyecto WMAP en donde se ha resaltado la ubicación de círculos que pudieran ser el reflejo de dichos eventos. (Imagen: a partir de “Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity”, V. G. Gurzadyan y R. Penrose, 2010, fair use)

Pero pasemos a otras teorías. Dentro de este entorno de ideas con aroma a universos reiterativos nos encontramos también con los modelos ecpiróticos^[12] de Neil Turok y Paul Steinhardt aunque en este caso el inicio del ciclo está motivado por el choque de dos branas que se encuentran en un proceso reiterativo de aproximación/alejamiento cósmico. Para entender eso de una brana podemos pensar en una entidad física de varias dimensiones inmerso en algo más vasto con más dimensiones. Nuestro universo, por ejemplo, sería una brana de cuatro dimensiones inmersa en un sustrato de una o más dimensiones adicionales, quizás infinitamente pequeñas, que desde nuestro mundo nunca podemos apreciar (un sujeto planario nunca imaginará una tercera dimensión que nosotros, sujetos 3D, sabemos que sí existe) y en donde conviven otras branas de cuatro dimensiones (o quizás cinco, o más) con las que eventualmente puede chocar una y otra vez nuestro mundo. En los choques se genera la energía que hará florecer un nuevo universo post bigbang coherente con el reconocido modelo estándar Lambda-CDM^[13] que explica el nuestro, para continuar a través de una senda expansiva que le llevará tras muchos eones hasta una extensión plana y casi sin rasgos distintivos. Un larguísimo periodo que se truncará al producirse un nuevo choque entre branas.

El modelo ekpirótico de bigbans reiterativos y paralelos que sugiere que nuestro propio universo es el resultado de la colisión de branas entre sí. (Imagen de la red, fair use)

Vamos a dejar para la siguiente entrada otros modelos que predicen el futuro de nuestro Universo. Algunos más probables que otros… o quizás todos ellos una entelequia. Hasta la entrada siguiente.

1. “Time without end. Physics and Biology in an open Universe”, páginas 3 y 12, 1979, Freeman J. Dyson. [↩]
2. Ver “Rapidly descending dark energy and the end of cosmic expansion“, Cosmin Andrei et al. PNAS abril 2022. [↩]
3. Este párrafo es hijo y brevísimo resumen de las ideas expuestas en el libro “The five ages of the Universe”, de Fred Adams y Greg Laughlin, paginas 190-195. Para saber más detalles de lo que suceda en esos últimos momentos podemos leer los primeros capítulos de la serie Biografía del Universo. Como hemos dicho en el texto, el final será conceptualmente muy semejante al inicio. [↩]
4. “El espacio-tiempo es el campo gravitatorio (y viceversa). Es algo que existe por sí mismo, como intuía Newton, incluso sin materia; pero no es una identidad distinta del resto de las cosas del mundo -como creía aquel-, sino un campo [cuántico] como los demás… Y, como los demás, no es ni absoluto, ni uniforme, ni fijo, sino que se dobla, se estira, se expande y se contrae como los demás… puede ondular… puede concentrase y enrarecerse.” Carlo Rovelli en su libro “El orden del tiempo“. [↩]
5. Fenómeno que en esta teoría de la gravedad cuántica sustituye al Big Bang postulado por la teoría clásica. [↩]
6. De “Relativity, thermodynamics, and cosmology”, 1934, Richard C. Tolman. Ver también “Los últimos tres minutos”, página 182, Paul Davies. [↩]
7. En matemática, la geometría conforme es la que aplica en el estudio de las transformaciones donde se preservan los ángulos en un espacio, aunque no necesariamente las distancias. Por lo que, al ser insensible a los cambios de escala locales, es la que aplica en esas circunstancias. [↩]
8. Hablaremos de la finitud de temperatura y densidad en la próxima entrada 6 [↩]
9. Extraído de libro “Ciclos del tiempo: Una extraordinaria nueva visión del universo”, página 178 (la imagen incluida en el texto, figura 3), Roger Penrose, editorial Debolsillo. 2011. [↩]
10. Podéis leer el siguiente artículo que argumenta tales dudas: “La cosmología cíclica conforme de Penrose y los puntos de Hawking en el fondo cósmico de microondas”, Francisco R. Villatoro, 2018. [↩]
11. Hay que decir que en la actualidad hay una cierta discusión acerca de la significación estadística de las observaciones aludidas del fondo de microondas. Para más información: “Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity”, V. G. Gurzadyan y R. Penrose, 2010. [↩]
12. De la Wikipedia: “El nombre proviene del término estoico ekpyrosis (en griego antiguo: ἐκπύρωσις) que significa conflagración o, en el uso estoico, “conversión en fuego” con el significado de “disolución del universo en el fuego”. En la filosofía estoica, la ekpyrosis, el fuego cósmico que todo lo envuelve, representa la fase contractiva de un ciclo eterno de destrucción y resurgimiento. [↩]
13. En cosmología, el modelo Lambda-CDM es el modelo conocido más simple que está de acuerdo con todas las observaciones de nuestro Universo. Esta basado en la existencia de una constante cosmológica, Lambda, y materia oscura fría, CDM (cold dark mater). [↩]

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