Pero, ¿por qué te expandes, Universo?

En un intento por continuar en la línea divulgativa que empezamos en las dos entradas anteriores donde tratamos el interesante asunto de qué es la materia: ¿Qué es la materia? y ¿Qué es la materia (II)?, voy a intentar transmitir en este artículo, al mismo nivel introductorio (sin matemáticas ni frases grandilocuentes con "palabros" físicos inefables), qué es eso que se nos cuenta desde la moderna cosmología sobre la expansión del Universo.

Sí, el Universo se expande.

Lo creas o no, hasta bien entrado el pasado siglo XX la comunidad científica pensaba en general que el Universo era algo estático. Es decir; que las galaxias, estrellas y demás cuerpos celestes se movían relativamente de tal modo que de manera global todo quedaba más o menos estructurado espacialmente de manera digamos estacionaria. Todo se movía, por supuesto, pero al final todo quedaba dispuesto de manera similar tras ciclos o lapsos de tiempo. Algo así como ocurre en nuestro sistema solar, que se mueve pero que siempre nos presenta un orden similar: con los planetas orbitando en elipses alrededor del Sol sine die.

De hecho, incluso el famosísimo Albert Einstein introdujo ad hoc un parámetro en su famosa teoría de la relatividad general (la cual incluye a la gravedad) para permitir que esta visión del Universo como algo estático y eterno (algo sin inicio ni fin, en resumidas cuentas) permaneciera inalterada a pesar de que sus fórmulas, sin este añadido, predecían un Universo que se expande o se encoge irremediablemente. Y desde luego no podemos culpar a los físicos de esa época por mantener esta postura tan "corta" de miras: ¡es la propuesta que menos necesidades explicativas requiere! Sin inicio ni fin, nos ahorramos tener que explicar que había antes del Universo, cómo acabará, y fundamentalmente de dónde surgió (su causa primigenia).

Pero las cosas no iban a ser tan sencillas, y tras varias observaciones astronómicas y teóricas (realizadas en gran parte, pero no exclusivamente, por el físico Edwin Hubble), la comunidad científica tuvo que admitir que el Universo no es estático ni estacionario, sino que se mueve de una manera muy determinada y fuera de orden...de hecho ¡todo se aleja de todo lo demás!

En resumen, y por no complicar mucho el asunto, podemos decir que el equipo de Hubble pudo "ver" cómo por entre todo el Universo visible las galaxias se alejaban unas de otras. I.e.; que no permanecen en el tiempo a una distancia similar sino que la distancia que las separa crece y crece cada vez más. Grosso modo, se descubrió que las galaxias de hecho se separaban de media unas de otras a cada vez mayor velocidad mediante una aceleración exponencial. Una aceleración exponencial que supone que (hablando cualitativamente y de manera aproximada), conforme el tiempo transcurre de manera lineal (segundo tras segundo), la distancia entre las galaxias aumenta en general de manera multiplicativa (con una velocidad variable v = H · D. Donde H es la constante de Hubble (un número), y D la distancia que en cierto instante separa dos galaxias cualesquiera).

Así que el pobre Einstein tuvo que borrar (literalmente) el parámetro extra que añadió a sus ecuaciones (la famosa constante cosmológica), para permitir que su teoría se ajustase a los hechos empíricos: el Universo no era estático, sino que se movía de modo que todas las galaxias se alejaban unas de otras a cada vez mayor velocidad.

El Universo tuvo un inicio y tendrá un final.

El descubrimiento de Hubble y la claudicación de Einstein (y del resto de la comunidad científica que en general compartía su visión), hicieron pasar a la historia la idea de que nuestro Universo es estacionario y eterno. Al contrario, al mirar al cosmos el Universo parecía ahora expandirse aceleradamente y de media todo se alejaba de todo lo demás (todo lo que no estaba sujeto a un potencial gravitatorio, por supuesto). Y el hecho de que todo se alejara siempre en el tiempo (al mirar al espacio profundo hemos de recordar que miramos en realidad al pasado, y que cuanto más lejos miramos más antiguo es el evento observado), supuso que si imaginariamente diéramos "marcha atrás" al tiempo (como al rebobinar una cinta de vídeo), las cosas empezarían a acercarse constantemente unas a otras hasta llegar a un inicial e ideal punto imaginario: el famoso Big Bang. Precisamente discutimos la semana pasada en esta entrada sobre este Big Bang. Cómo piensa la cosmología moderna que aconteció y la manera en que cuadra con nuestros conocimientos actuales en física de partículas.

Pero la expansión acelerada también nos enseña que nuestro Universo tendrá un final bien definido. En realidad hay actualmente varias propuestas cosmológicas que compiten a la hora de explicar cómo acabará toda la fenomenología que entendemos por nuestro mundo, aunque hoy por hoy son dos las propuestas más probables y ambas comparten un trasfondo común: en nuestra realidad futura no habrá lugar para lo que entendemos como materia e interacciones (partículas y movimiento efectivo).

Son como decimos dos teorías las que se disputan actualmente la descripción del futuro de nuestro mundo: el Big Rip (el gran desgarramiento) y el Big Freeze (la "muerte" térmica). La diferencia fundamental entre ambas teorías radica en el tiempo que tardará el Universo en "desaparecer", y en que la primera predica que el espacio-tiempo llegará literalmente a colapsar en una singularidad (similar a la del Big Bang) debido al infinito implícito en el concepto de crecimiento exponencial del espacio (algo que se ve claramente en cuanto se observa una gráfica con una línea exponencial donde visualmente se comprende la tendencia asintótica hacia el infinito):

El Big Rip predice que si la energía oscura (energía causante de la expansión del Universo, pero de cuya naturaleza no se conoce gran cosa parte de su oscuro nombre) posee cierta propiedad característica crítica (relacionada con su densidad) el universo acabará por ser "desgarrado" (destruido en una singularidad). Según esta propuesta el orden de acontecimientos será el siguiente: durante miles de millones de años las galaxias se habrán separado entre sí a un ritmo cada vez mayor (algo que se observa empíricamente ya en la actualidad). Aproximadamente 1000 millones de años antes del "Rip" la gravedad resultará demasiado débil incluso para mantener integra a las galaxias en sí, de manera que a partir de este momento sólo quedarán en el mundo estrellas aisladas y dispersas. Conforme transcurra más tiempo, incluso los sistemas planetarios perderán su cohesión gravitatoria y todo acabará lleno de estrellas y planetas vagando individualmente. Más adelante los propios cuerpos celestes acabarán reducidos (descompuestos) en sus átomos constituyentes, los cuales deambularán también de manera independiente...pero aquí no acaba la cosa. Los mismísimos átomos se verán "desligados" igualmente cuando se acerque el fin del espacio-tiempo, por lo que sólo quedará una radiación remanente. En este instante el universo se parecerá al Big Bang inicial sólo que se presentará de manera infinitamente menos densa (el gigantesco volumen final del espacio será justo el inverso de la singularidad inicial). Justo en el momento del desgarramiento (el "Rip"), el Universo carecerá por completo de partículas (excitaciones energéticas en los campos cuánticos -"sus mares"-). Todo consistirá en ser un "mar" de "mares" en reposo absoluto (estado fundamental). No será posible que nada interactúe con nada puesto que no existirá cohesión gravitacional ni energía alguna (salvo las pequeñas fluctuaciones cuánticas de los campos que de media se cancelan resultando 0). Todo estará tan alejado de todo lo demás (más allá del horizonte causal que impone la máxima velocidad c de la luz) que no se podrá hablar de que realmente exista algo físico, puesto que el concepto de tiempo, evento, suceso, causalidad y cambio son incongruentes en este estado natural de aislamiento absoluto. El mundo dinámico de la multiplicidad como tal habrá desaparecido, y lo que quedará no tendrá como decimos sentido físico real, restando en el ser un mero artificio matemático ideal (¿platónico?).

Los autores de esta hipótesis calculan que este final para nuestro Universo ocurriría dentro de aproximadamente 20.000 millones de años a contar desde ahora; algo que puede sonar muy lejano pero que no lo parece tanto teniendo en cuenta que actualmente la vida estimada para nuestro mundo es de 13.800 millones de años. Finalmente comentar que, puesto que se estima que el 70% del contenido energético del Universo está formado por energía oscura, el Big Rip parece ser una de las teorías más aceptadas en estos momentos por la comunidad científica a la hora de explicar cómo será el fin del Universo.​

Remarcar de nuevo, por cierto, que la principal diferencia entre el Big Rip y el Big Freeze (la "muerte" térmica) radica principalmente en los tiempos implicados. La "muerte" térmica predica un final casi idéntico al del Big Rip sólo que en lugar de estimarse 20.000 millones de años (20.000.000.000) antes del fin, el Big Freeze calcula tiempos (muy variables según el autor del estudio) de alrededor de 10^500 años (un 1 segundo de 500 ceros). Pero a fin de cuentas, al final todo quedaría (casi) igual: un mundo totalmente desconectado causalmente donde los campos cuánticos ("mares" de partículas) no presentarían excitaciones ni interactuarían entre sí, el movimiento, el devenir, la multiplicidad, y el tiempo carecerán de sentido físico, y lo máximo que podríamos interpretar de tal situación natural sería un estado atemporal e ideal con cierto potencial matemático pero sin propiedades físicas distinguibles (¡justo lo mismo que la teoría inflacionaria propone para explicar el origen del Universo!). Desde luego el platonismo nunca pasa de moda ;).

Muy bien pero, ¿por qué se expande el Universo?

En pocas palabras decimos que el Universo se expande porque existe en la esencia natural del mundo una fuerza energética repulsiva (energía oscura) que se opone a la fuerza atractiva gravitatoria. La "cantidad" de fuerza gravitatoria (que todos sabemos que es siempre atractiva) depende de la cantidad total de materia bariónica (la normal de toda la vida :P) y de la materia oscura que existe en el Universo; mientras que la energía oscura es siempre repulsiva y su "cantidad" depende...¡del volumen del propio Universo!

De la naturaleza concreta de esta repulsiva energía oscura (que algunos relacionan con la constante cosmológica que Einstein primero añadió y luego borró de sus ecuaciones de la relatividad general) no se conoce apenas nada en estos momentos. Así que si alguien os pregunta qué es la energía oscura, podéis decir casi sin falta de precisión (puesto que no se conoce mucho más) que se trata de: "una fuerza natural siempre repulsiva de origen -esencia o causa- desconocida, y que se presenta infinitesimalmente distribuida -presentando una densidad constante- por entre todo el espacio del Universo, de manera que su acción aumenta de manera directamente proporcional a la cantidad de volumen existente en el mundo".

En resumen: que si en un metro cúbico de espacio existe una fuerza repulsiva total x debida a la energía oscura, al duplicar el volumen de espacio en consideración se duplica igualmente la fuerza repulsiva. Sin embargo, si en ese metro cúbico inicial no introducimos ni sacamos materia (ni radiación), ¡la fuerza gravitatoria total permanecerá invariante al duplicar el volumen del espacio!

Así pues, muy grosso modo, podemos entender la expansión acelerada como el hecho de que la fuerza repulsiva total de la energía oscura supera la fuerza atractiva gravitatoria producida por toda la materia. Y aquí viene la clave (la retroactividad que lleva al crecimiento exponencial en las distancias que separa las galaxias): la cantidad total de radiación-materia en el Universo es constante (no pueden aparecer nuevas partículas estables si no es mediante la aniquilación de otras, respetándose las simetrías y leyes de la conservación) por lo que la fuerza gravitatoria neta total del Universo está acotada o limitada superiormente (desde el mismo momento en que decae el inflatón). Pero sin embargo, ya vimos que la fuerza repulsiva de la energía oscura crece en relación directa al volumen de espacio existente. Por tanto, el hecho de que la fuerza atractiva debida a la densidad de materia está limitada superiormente, junto con el hecho de que la energía repulsiva (energía oscura) aumenta conforme el volumen del espacio aumenta, obtenemos la posibilidad del resultado ya comentado: que conforme pase el tiempo las cosas cada vez se separan más rápidamente (porque la "cantidad" de atracción gravitatoria está fijada desde el propio Big Bang, mientras que la "cantidad" de repulsión aumenta con cada metro cúbico que gana el Universo).

Pero esto no fue siempre así.

Podemos decir que la historia del cosmos ha pasado por dos grandes fases. Al principio, poco después del decaimiento del inflatón, la proporción (o ratio) entre el volumen de espacio existente y la cantidad de materia-energía hizo que la fuerza repulsiva de la energía oscura (que sabemos que depende del volumen total) fuese a la par con la fuerza de atracción gravitatoria (debida a la materia-radiación), por lo que durante millones de años tras la inflación el Universo no sufrió de un nuevo proceso de expansión (mucho menos acelerado), sino que incluso aconteció una pequeña fase de frenado (o desaceleración). Vamos a verlo visualmente:

Al inicio fueron las fluctuaciones cuánticas del inflatón y el decaimiento del potencial de dicho campo compensado espontáneamente por una enorme y repentina expansión del espacio (la inflación en sí misma). Cuando el potencial decae por completo el proceso de "frenado" produce repentinamente la aparición de una gran cantidad de radiación y materia cuya cantidad total debe conservarse (a pesar de que las partículas decaigan y se transformen unas en otras). Pues bien, en aquellos primeros millones de años tras la inflación la radiación y la materia total se atraían con más fuerza de lo que la ubicua repulsión de la energía oscura podía contrarrestar, y por tanto la distancia entre los objetos no aumentó de media. Es decir, que durante miles de millones de años el Universo presentó una figura estática muy similar a la soñada por Einstein y sus coetáneos: las cosas se movían y evolucionan estacionariamente pero la atracción hacía que las distancias medias entre los objetos macroscópicos no cambiaran relativamente "demasiado".

Cambio de fase.

En este punto es importante hacer notar que, aunque durante millones de años la repulsión debida a la densidad de energía oscura (directamente relacionada con el volumen total del espacio) era incapaz de desplazar de media los objetos cósmicos; la densidad de radiación y de materia sufrió variaciones debido a la dinámica natural de las partículas y a la propia fuerza de la gravedad (siempre atractiva). Es decir, que a pesar de la "irrelevancia" inicial de la energía oscura, el mundo evolucionó siguiendo sus leyes y la densidad (cantidad de energía-materia-radiación por unidad de volumen) fue variando con los años. Pues bien, en este estado de cosas hace aproximadamente 5.000 millones de años aconteció un hecho fundamental: la densidad media de materia en el espacio cayó por debajo de cierto umbral matemático, y se produjo lo que en física se conoce como un repentino cambio de fase: las matemáticas implicadas en la cosmológica dan un vuelco de signo y las ecuaciones de la relatividad general aplicadas a la evolución del cosmos indican teóricamente un cambio fenomenológico abrupto, marcado, y corroborado experimentalmente.

Este cambio supuso precisamente la claudicación de la fuerza gravitatoria total (debida a la densidad y distribución de la materia total en cierto momento en el Universo) frente a la repulsión latente de la energía oscura (¡cuya densidad no varía con el tiempo puesto que se distribuye equitativamente e infinitesimalmente por entre todo el volumen del espacio!). Desde este momento el futuro del cosmos cambió por completo.

Retroalimentación y exponenciación.

Una vez que la energía oscura tomó el mando, el destino del mundo estuvo decantado hacia el Big Rip o el Big Freeze. Y el hecho de tal fatalidad es consecuencia una vez más de la constancia en la densidad de la energía oscura. Porque una vez que esta fuerza repulsiva dominó el panorama la consecuencia más inmediata fue la retroalimentación. La energía oscura aparece espontáneamente (de alguna manera que desconocemos) en cada nueva posición infinitesimal del espacio; por lo que el hecho de que repentinamente el Universo se expandiera supuso la aparición evidente de nuevo espacio (más volumen) el cual fue aparejado al instante por la aparición de más energía oscura; la cual aportó aún más fuerza repulsiva (mientras que la atracción gravitatoria seguía estancada como hemos repetido ya en varias ocasiones). Así pues, cuando hace aproximadamente 5.000 millones de años la energía oscura toma el mando, lo hizo de una manera tal que se inició un proceso espontáneo donde la expansión genera nueva energía oscura, la cual estira aún más el espacio con la consiguiente aparición instantánea de más energía oscura, lo cual lleva a que ésta se sume a la cada vez mayor fuerza total repulsiva en un proceso ya sin fin.

De este modo vemos que la expansión se retroalimenta y que conforme todo se estira aparece infinitesimalmente más energía oscura que convierte este dinámica en exponencial. Este hecho se visualiza gráficamente en la ilustración anterior por el modo en que las líneas crecen a partir de cierto momento de manera exponencial; y de hecho es la causa principal que explica los dos escenarios más probables para el fin del mundo: el espacio entre los objetos aumenta y aumenta exponencialmente mientras que la densidad de materia-radiación decrece y decrece también exponencialmente (puesto que el volumen disponible es asintóticamente cada vez mayor).

De hecho, con un poco de imaginación podemos imaginar la dinámica cósmica predicha por la cosmología, y extrapolar en nuestra mente la evolución de la ilustración anterior donde las líneas que simbolizan el "borde" espacial crecen y crecen verticalmente hasta acabar en una infinita línea vertical compuesta por una densidad infinitesimalmente pequeña de materia distribuida en ese espacio singular. En este particular sentido se puede decir incluso que el inicio y el final de nuestro Universo serán (casi) lo mismo: una singularidad sin sentido físico aparente. Todo será de nuevo puro potencial matemático sin esencia física "real". No existirán fenómenos ni habrá movimiento ni tiempo, todo será unidad singular; o mejor dicho "todo" formará parte una unidad atemporal matemática, un puro potencial de ser...o quizás habría que decir una unidad inmutable con la capacidad esencial para otorgar una apariencia física (ilusoria) de devenir y multiplicidad.

Intento de simplificación.

Vamos como siempre a intentar simplificar finalmente todo lo dicho de nuevo con un símil llevado al extremo, aunque sea a expensas de perder precisión:

Imagina que tienes una olla y la pones al fuego hasta que empieza a hervir. En cierto momento empiezan a burbujear aleatoriamente pequeñas pompas que aparecen y desaparecen. Sin embargo, imagina que en cierto momento una de las pompas fluctúa de tal suerte que posee una configuración extraña y poco usual: posee un potencial inmanente cuyo estado fundamental no posee excitaciones (partículas) pero sí una energía media v en reposo distinta de cero (estando en un estado inestable de falso vacío). Esta pompa no puede permanecer en esta fortuita configuración por mucho tiempo, por lo que casi inmediatamente y de manera natural se produce un proceso de decaimiento del potencial a su estado de verdadero vacío (energía potencial igual a 0). Pero la diferencia entre la energía potencial inicial v en cada punto infinteismal x de la pompa y la energía potencial final igual a 0 produce un enorme gradiente energético (una gigantesca diferencia entre la energía inicial y final). Así que este energía "sobrante" del proceso se invierte, también de manera natural, en un acto espontáneo de reacción "mecánica": el volumen ocupado por la pompa aumenta (se expande) a un ritmo capaz de "consumir" (exponencialmente) toda esta energía disponible, lo cual lleva a que la pompa tome en millonésimas de segundos un tamaño astronómico.

Luego, una vez el potencial casi ha decaído por completo se produce un frenazo o ("golpe" de desaceleración) en el interior de la pompa, lo cual altera los "mares" (campos cuánticos) que se encontraban en reposo dentro de la misma. Esto supone la generación masiva de las partículas conocidas (excitaciones y vibraciones de campos cuánticos), mientras que la posterior dinámica sucedió de acuerdo a las simetrías esenciales y produjo la posterior evolución y dinámica de las vibraciones (partículas) por el interior de la pompa.

Es un hecho que la pompa en sí posee de algún modo algún tipo de repulsión intrínseca (una energía oscura dependiente del volumen) que la hace tender hacia su propia expansión, mientras que también es un hecho que la materia-radiación de su interior posee (entre otras) una fuerza siempre atractiva (gravitatoria) que tiende por contra a la contracción.

Tras finalizar el periodo inflacionario la pompa tenía un tamaño astronómico pero la cantidad de energía contenida en su interior en forma de materia-radiación era de una densidad tan grande que la fuerza gravitatoria del conjunto se sobrepuso con facilidad a la fuerza repulsiva (presión negativa) esencial de la pompa (energía oscura), así que la pompa por un tiempo dejó de extenderse al estar dicha presión negativa anulada por la presión positiva del potencial gravitatorio.

Sin embargo, los millones de años pasaron y la configuración y estructuración (la dinámica, en pocas palabras) de la materia-radiación del interior de la pompa se vio deformada conforme ésta seguía las leyes naturales de simetría, conservación y termodinámica. De hecho, la densidad media (cantidad de partículas por unidad de volumen) de materia-radiación fue en descenso hasta que en cierto instante se traspasó el umbral crítico en que la repulsión esencial de la pompa se sobrepuso a la contracción gravitatoria. En ese justo momento (hace aproximadamente 5.000 millones de años) comenzó un nuevo cambio de fase en el que la pompa empezó a crecer de nuevo...y cada pequeño aumento de volumen supuso un nuevo aporte aditivo a la presión negativa esencial de la pompa. De este modo, la pompa comenzó una expansión acelerada de orden exponencial, en donde cada vez había más y más volumen (más densidad de esa energía oscura) pero menos y menos densidad de materia (partículas por unidad de área). Este hecho supone que cada vez el contenido de la pompa se irá aislando más y más entre sí, conformándose horizontes causales que la relatividad especial separará físicamente para siempre debido a la máxima velocidad de la luz.

Llegará un momento en que el volumen de la pompa será tan grande que el poder gravitacional local no será capaz de formar ya ningún tipo de estado compuesto o ligado. Ningún potencial podrá superar la fuerza de la energía oscura, y por lo tanto los clusters de galaxias se disgregarán en galaxias, estas en sistemas solares aislados, luego estos en planetas y soles vagantes y finalmente toda la materia quedará diluida en partículas individuales cuyas vibraciones y estados también serán estirados por la propia expansión de la pompa. Tras muchos miles de millones de años (años que varían según la propuesta teórica), todo acabará con nuestra pompa tomando un tamaño infinito (o tendiendo al infinito) en cuyo interior sólo habrá fluctuaciones cuánticas de densidad infinitamente pequeñas (o tendiendo a ser singulares). La pompa se habrá en ese momento "desgarrado" del todo, devolviendo probablemente en este momento el potencial energético (matemático) inicial que tomó prestado el inflatón (la pompa) para iniciar todo este proceso comentado.

Comentar para finalizar que en este símil la caldera inicial sería una metáfora del multiverso en el que la gran mayoría de físicos creen hoy día, las pompas serían procesos cuánticos (fluctuaciones) con propiedades estocásticas muy diversas, y Universos como el nuestro serían representaciones de aquellas pompas con los estados arbitrarios iniciales adecuados para proceder a generar un ciclo de inflación, expansión acelerada y "desgarramiento" (vuelta al matemático estado esencial) siguiendo posiblemente un dictado cuántico fundamental: el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual es posible que un sistema aparezca (o se cree) "virtualmente" (o en apariencia) de la nada simplemente con tal de que devuelva el préstamo energético necesario para su formación en un tiempo determinado por la famosa ecuación matemática de dicho principio.

La realidad matemática.

Como ya comentamos en el artículo anterior, en el fondo parece que nuestra realidad se basa en una vuelta de tuerca más al consabido principio antrópico (llevado quizás al extremo):

No es sólo, como indica la ciencia moderna, que posiblemente exista una infinidad de Universos ("pompas" matemáticamente adecuadas o "permisibles") dentro de un multiverso esencial en el cual a veces aparecen sujetos conscientes dadas las circunstancias (las leyes y constantes particulares de algunos de estos mundos), sino que podría muy bien ser el caso de que lo que verdaderamente existe como tal sea el propio multiverso: un ente matemático único, eterno e inmutable; apareciendo fortuitamente luego ciertas representaciones ilusorias en modo de Universo particular cuando las circunstancias permiten que surjan sujetos capaces de (mal)interpretar la unidad por multiplicidad, lo inmóvil por cambio, y lo homogéneo por heterogéneo: es decir, la pura matemática atemporal por una ilusoria física y su devenir.