?Qu¨¦ hab¨ªa antes del Big Bang?

Es una pregunta habitual cuando se habla del origen del universo. Y, aunque parezca mentira, no es nueva. Hace 1.600 a?os, la cuesti¨®n fue suscitada en el ¨¢mbito teol¨®gico: "?Qu¨¦ hac¨ªa Dios antes de crear los Cielos y la Tierra?". Sin duda una buena pregunta, a la que San Agust¨ªn respondi¨® con humor que Dios ¡°preparaba el infierno para los que hacen este tipo de preguntas¡±. Aparte de esta broma, San Agust¨ªn fue m¨¢s lejos y afirm¨®, con sagacidad, que no tiene sentido preguntar en qu¨¦ empleaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo. De forma semejante, la pregunta "?qu¨¦ pas¨® antes del instante inicial?" no tiene mucho sentido. Pero, naturalmente, esto puede parecer un mero juego de palabras. Nuestra intuici¨®n nos dice que cada instante est¨¢ precedido por otro, por lo que la idea de un "instante inicial", parece absurda. El problema es que nuestra intuici¨®n se basa en nuestra experiencia directa, y esa experiencia es muy limitada. En cuanto nos salimos de las escalas f¨ªsicas humanas", nuestra intuici¨®n suele fallar clamorosamente.

Por ejemplo, a los pensadores de todas las civilizaciones antiguas (con la maravillosa excepci¨®n de la griega) les pareci¨® evidente que la Tierra deb¨ªa ser plana. Estaban extrapolando, err¨®neamente, la percepci¨®n que tenemos cuando nos desplazamos en distancias no mucho mayores que unas decenas de kil¨®metros. Por supuesto, ahora sabemos que, vista globalmente, la Tierra es redonda. Del mismo modo, el espacio y el tiempo, cuando se consideran globalmente, son muy diferentes de como los percibimos en nuestra experiencia ordinaria.

La teor¨ªa

La teor¨ªa del Big Bang se basa, a su vez, en la teor¨ªa general de la relatividad, formulada por Albert Einstein en 1915, y que representa una de las cumbres del pensamiento humano. Seg¨²n la teor¨ªa de la relatividad, el espacio y el tiempo no son, como podr¨ªa parecer, magnitudes inertes e inmutables. Por el contrario, el espacio-tiempo, como un todo, se puede estirar y encoger, curvar y retorcer. Su textura se parece m¨¢s a la de la goma que a la del cristal. Y su geometr¨ªa est¨¢ determinada por la materia y energ¨ªa que contiene. Todo esto son conceptos revolucionarios y fascinantes. El espacio y el tiempo no son el escenario impasible de un gran teatro, dentro del cual tiene lugar una representaci¨®n. La teor¨ªa nos dice que la forma de ese teatro y su evoluci¨®n temporal est¨¢n determinados por los actores que pululan dentro de ¨¦l, es decir, la materia y energ¨ªa que pueblan el universo.

Es importante subrayar que la teor¨ªa de la relatividad no es una mera especulaci¨®n. Sus predicciones se han comprobado en una enorme variedad de situaciones f¨ªsicas, hasta el momento sin un solo fallo. Pensemos, por ejemplo, que, desde el punto de vista relativista, algo tan familiar como la fuerza de la gravedad es simplemente la consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo, producida a su vez por la presencia de grandes masas, como planetas y estrellas. De hecho, la teor¨ªa de Einstein predice que las fuerzas gravitatorias han de ser tal como prescribe la venerable ley de la gravitaci¨®n de Newton... con peque?as correcciones (a veces no tan peque?as). Y hasta ahora la naturaleza, "cuando ha tenido que elegir", siempre ha dado la raz¨®n a Einstein frente a Newton.

Pues bien, cuando se aplica la teor¨ªa de la relatividad al universo como un todo, se encuentra que, necesariamente, este ha de pasar por una fase de expansi¨®n; es decir, el espacio mismo (con todo su contenido) ha de expandirse, igual que se hincha un pastel en el horno. Vista con los ojos de la teor¨ªa de Einstein, la expansi¨®n del universo se produce porque el espacio entre las galaxias est¨¢ dilat¨¢ndose; o, en otras palabras, se est¨¢ creando espacio entre ellas. No solo eso, sino que el universo entero que observamos hubo de surgir de un solo punto, en un instante inicial denominado Big Bang.

Por supuesto, los conceptos anteriores no son f¨¢ciles de visualizar. Podemos intentarlo utilizando un modelo de universo simplificado, de una sola dimensi¨®n espacial (en vez de las tres ordinarias) y una temporal (el tiempo ordinario). En esta imagen, el espacio-tiempo del universo tendr¨ªa una forma parecida a un gigantesco dedal, como el de la figura. En ese dibujo el tiempo avanza hacia arriba. Cada secci¨®n circular del dedal (es decir cada anillo) representa el universo en un instante dado. A medida que avanza el tiempo (y por tanto subimos por la superficie del dedal), los anillos son cada vez m¨¢s grandes, como consecuencia de la expansi¨®n del universo.

El v¨¦rtice inferior del dedal corresponde al Big Bang: el instante cero, en el que todo el universo estaba comprimido en un punto. En esta imagen, viajar imaginariamente hacia atr¨¢s en el tiempo significa deslizarnos hacia abajo por la superficie del dedal. Pero, si una vez alcanzado el instante inicial (Big Bang) intent¨¢ramos proseguir en la misma direcci¨®n, encontrar¨ªamos que regresamos hacia adelante en el tiempo. Es como si paseando por la superficie terrestre nos dirigimos hacia el Sur. En nuestras peque?as escalas podemos seguir caminando en esa direcci¨®n de forma indefinida, pero si lleg¨¢ramos a alcanzar el polo Sur terrestre, comprobar¨ªamos que no es posible ir m¨¢s all¨¢. Si insistimos en continuar nuestro viaje, nos encontraremos caminando en direcci¨®n Norte.

Notemos que en el dibujo, la superficie de dos dimensiones, que representa el espacio-tiempo, est¨¢ inmersa en un espacio de tres dimensiones. Esto es consecuencia de una limitaci¨®n de nuestro cerebro para imaginar superficies curvadas: tenemos que representarlas sumergidas en un espacio tridimensional. Pero matem¨¢ticamente no hay ninguna dificultad para formular una superficie o un espacio curvos, sin tener que recurrir a un mundo de dimensionalidad mayor. En nuestro ejemplo, la superficie en forma de dedal que representa el espacio-tiempo no tiene por qu¨¦ estar sumergida en otro espacio de m¨¢s dimensiones. Es un universo consistente en s¨ª mismo.

Por tanto, la respuesta a la pregunta "?qu¨¦ hab¨ªa antes del Big Bang?" es que nunca hubo un "antes del Big Bang¡±. ?Fin de la historia? Podr¨ªa ser, pero no es seguro.

Inc¨®gnitas

Hagamos una pregunta alternativa a la que da t¨ªtulo a este art¨ªculo: ?Es fiable la descripci¨®n que la teor¨ªa del Big Bang hace del origen del universo hasta el preciso instante inicial? Podemos decir que desde un segundo despu¨¦s del Big Bang en adelante, la descripci¨®n de la teor¨ªa es muy fiable, ya que en ese momento comenz¨® el proceso de nucleos¨ªntesis primitiva, del que tenemos pruebas experimentales, concretamente la producci¨®n de elementos ligeros (como helio o litio) que pueblan el universo en las cantidades predichas por la teor¨ªa. Para instantes anteriores, hay que pensar que cuanto m¨¢s reciente era el universo, a mayor temperatura estaba. Por tanto, una descripci¨®n fiable de lo que sucedi¨® exige conocer c¨®mo se comporta la materia a alt¨ªsimas temperaturas. La f¨ªsica de part¨ªculas proporciona una teor¨ªa, el llamado Modelo Est¨¢ndar, que describe con extraordinario ¨¦xito el comportamiento de las part¨ªculas hasta energ¨ªas equivalentes a una temperatura de mil billones de grados.

Nuestra intuici¨®n nos dice que cada instante est¨¢ precedido por otro, por lo que la idea de un "instante inicial", parece absurda

Esto corresponde aproximadamente a una cienmilmillon¨¦sima de segundo despu¨¦s del Big Bang. En consecuencia, aunque no disponemos de pruebas experimentales, podemos remontarnos hasta ese instante con bastantes garant¨ªas. Pero si seguimos acerc¨¢ndonos al instante inicial, ni siquiera disponemos de una teor¨ªa fiable. Es m¨¢s, la propia teor¨ªa general de la relatividad, en su versi¨®n tradicional, muestra inconsistencias matem¨¢ticas en esas condiciones extremas. Por esta y otras razones, es una creencia extendida entre los f¨ªsicos te¨®ricos que la teor¨ªa necesita modificaciones. Y cuando se disponga de una teor¨ªa a¨²n mejor, podr¨ªa ser que encontremos sorpresas en torno al instante inicial. Pero, incluso sin salirnos del marco te¨®rico actual, existen modelos interesantes que hacen pensar en una historia anterior al Big Bang. Quede claro sin embargo que aqu¨ª entramos ya en el terreno de la especulaci¨®n.

Modelos

El llamado modelo de universo inflacionario se basa en una hip¨®tesis sobre lo que pudo haber ocurrido en la ¨¦poca m¨¢s remota del universo. La idea es que alg¨²n tipo de campo se hallaba fuera de su m¨ªnimo de potencial. En otras palabras, el valor del campo no era el que hac¨ªa que su energ¨ªa fuera m¨ªnima. Esta situaci¨®n tambi¨¦n se denomina como "falso vac¨ªo". Las ecuaciones de la relatividad predicen que, en una circunstancia as¨ª, el universo se expandir¨ªa de forma vertiginosa, multiplicando su volumen muchos billones de billones de veces en una peque?¨ªsima fracci¨®n de segundo. Cuando finalmente el valor del campo cay¨® a su m¨ªnimo, es decir al vac¨ªo verdadero, toda la energ¨ªa acumulada en ¨¦l se transform¨® en la materia y energ¨ªa que hoy llena el universo.

San Agust¨ªn afirm¨®, con sagacidad, que no tiene sentido preguntar en qu¨¦ empleaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo

Hay que decir que el universo inflacionario es algo m¨¢s que una pura especulaci¨®n, puesto que ha cosechado grandes ¨¦xitos, por ejemplo la predicci¨®n correcta de la densidad de materia y energ¨ªa que realmente presenta nuestro universo. Si el modelo es correcto, en su ¨¦poca m¨¢s primitiva el universo se expand¨ªa de forma desbocada y solo conten¨ªa ese campo primigenio. Entonces, en ciertos puntos, al azar, el campo cay¨® a su valor de m¨ªnimo, es decir al vac¨ªo verdadero. En estos puntos se formaron ¡°burbujas¡± de vac¨ªo verdadero que empezaron a crecer. Cada burbuja corresponde a un Big Bang ¡°ordinario¡±, que da lugar a un universo independiente. En este escenario, nuestro universo no es m¨¢s que una peque?a burbuja que se enciende y se apaga, inmersa en un universo global que se expande salvajemente. No queda claro en el modelo cu¨¢ndo y c¨®mo fue el inicio de ese universo global del que surgi¨® nuestra burbuja, es decir c¨®mo fue el verdadero instante inicial (en contraposici¨®n a nuestro "Big Bang dom¨¦stico").

Hay modelos altamente especulativos (y controvertidos) basados en la teor¨ªa de cuerdas, que recuperan la antigua idea de un universo c¨ªclico

Mencionemos tambi¨¦n que hay modelos, altamente especulativos (y controvertidos) basados en la teor¨ªa de cuerdas, que recuperan la antigua idea de un universo c¨ªclico, denominado en esta versi¨®n universo ecpir¨®tico, en una forma sofisticada e invocando la existencia de dimensiones extras. En estos modelos, la fase de expansi¨®n del universo est¨¢ precedida por una fase de contracci¨®n, que da lugar a una especie de rebote c¨®smico. Este esquema podr¨ªa continuar de forma indefinida, es decir, el universo actual podr¨ªa terminar en una contracci¨®n global, que, tras un nuevo rebote, diera lugar a un nuevo Big Bang, y as¨ª sucesivamente, tanto hacia adelante en el tiempo como hacia atr¨¢s.

En conclusi¨®n, posiblemente no hubo nunca un "antes del Big Bang", lo que en s¨ª mismo no supondr¨ªa una contradicci¨®n l¨®gica. Sin embargo, el preciso instante inicial est¨¢ bajo sospecha te¨®rica, y hay modelos interesantes que proponen una historia anterior a ese instante cero de nuestro universo.

Alberto Casas es profesor de Investigaci¨®n del CSIC en el Instituto de F¨ªsica Te¨®rica UAM-CSIC