Sean Carroll: tiempos lejanos e indicios de un multiverso

El Universo es realmente grande. Vivimos en una galaxia, la Vía Láctea. Hay unas cien mil millones de estrellas en la Vía Láctea. Y si toman sus cámaras y las enfocan hacia cualquier parte del firmamento y dejan el obturador abierto, siempre que la cámara esté atada al Telescopio espacial Hubble, se verá algo como esto. Cada una de estas pequeñas gotas es una galaxia aproximadamente del mismo tamaño de la Vía Láctea; cien mil millones de estrellas en cada una de esas gotas. Hay unas cien mil millones de galaxias en el Universo observable. Cien mil millones es el único número que hay que saber. La edad del Universo, desde el Big Bang hasta ahora, es como cien mil millones de años caninos. (Risas) Esto nos dice algo sobre nuestro lugar en el Universo.

Algo que podemos hacer con una foto como ésta, es simplemente admirarla. Es en extremo hermosa. A menudo me pregunto, ¿cuál sería la presión evolutiva que hizo que nuestros antepasados en las praderas africanas se adaptaran y evolucionaran hasta llegar a disfrutar las fotos de las galaxias cuando aún no tenían ninguna? Nos encantaría entenderlo. Como cosmólogo, quisiera preguntar ¿por qué el Universo es como es? Un gran indicio que tenemos es que con el tiempo, el Universo ha ido cambiando. Si miramos una de estas galaxias y medimos su velocidad, vemos que se aleja de nosotros. Y si miramos otra galaxia más lejana aún, se ve moverse más rápido. Así, decimos que el Universo está un expansión.

Esto quiere decir, desde luego, que en el pasado, las cosas estaban más cerca. En el pasado, el Universo era más denso y también más caliente. Si las cosas se comprimen, se eleva la temperatura. Eso tiene sentido. Lo que no parece tener tanto sentido es que el Universo, en su inicio, cerca al Big Bang, era también muy, muy homogéneo. Podría pensarse que esto no es sorpresivo. El aire en esta sala es bien homogéneo. Podría decirse, "bueno, quizá las cosas se homogeneizaron solas". Pero las condiciones cercanas al Big Bang eran muy, muy diferentes de las del aire de esta sala. En especial, todo era mucho más denso. La fuerza de la gravedad era mucho más fuerte cerca al Big Bang.

Lo que hay que pensar es que tenemos un Universo con cien mil millones de galaxias, de cien mil millones de estrellas cada una. En el principio esas cien mil millones de galaxias estaban concentradas en una región de este tamaño, literalmente, en los tiempos iniciales. Imagínense Uds produciendo esa compactación, sin imperfecciones, sin ningún punto con unos pocos átomos de más que en otros lugares. Porque si lo hubiera habido, habría colapsado por la fuerza gravitatoria para volverse un enorme agujero negro. Conservar el Universo bien homogéneo en etapas tempranas, no es fácil; es un arreglo delicado. Es un indicio de que el Universo primitivo no se elige al azar. Hay algo que lo hizo así. Quisiéramos saber qué fue.

En parte lo que sabemos sobre esto se lo debemos a Ludwig Boltzmann, un físico austríaco del siglo XIX. Boltzmann ayudó a entender la entropía. Habrán oído de la entropía. Es la aleatoridad, el desorden, el caos de un sistema. Boltzmann nos dio una fórmula, ahora grabada en su tumba, que cuantifica la entropía. Básicamente, es como decir que la entropía es la cantidad de formas en que pueden organizarse las partes de un sistema, sin que se note, o sea, que macroscópicamente se vea igual. En el aire de este salón, no se nota cada átomo en forma individual. Una configuración de baja entropía es aquella que tiene pocas maneras de lograrlo. Una configuración de alta entropía es aquella en la que hay muchas maneras de hacerlo. Esta es una idea muy importante, porque nos ayuda a entender la segunda ley de la termodinámica; la que dice que la entropía aumenta en el Universo o en partes aisladas del Universo.

La razón por la que aumenta la entropía es simplemente porque hay muchas más formas de tener alta entropía, que de tenerla baja. Una idea estupenda. pero deja algo por fuera. A propósito, esta idea de que la entropía crece, es el fundamento de lo que llamamos la flecha del tiempo, la diferencia entre el pasado y el futuro. Todas las diferencias que hay entre el pasado y el futuro se deben al aumento de la entropía; lo cual hace que podamos recordar el pasado, pero no el futuro. Que nacemos, luego vivimos y después morimos, siempre en ese orden, se debe a que la entropía va en aumento. Boltzmann explicaba que si se empieza con baja entropía, es muy natural que ésta aumente, porque hay más maneras de tener alta entropía. Lo que él nunca dijo es, por qué la entropía era tan baja al principio.

Que la entropía del Universo fuese baja es otra manera de decir que el Universo era muy, muy homogéneo. Nos gustaría entender esto. Esa es nuestra tarea como cosmólogos. Desafortunadamente, este no es un problema al que le hayamos dedicado suficiente atención. No es una de las primeras respuestas que contestaría un cosmólogo moderno, a la pregunta: "¿Cuáles son los problemas que están abordando?" Uno de los que sí entendió que ahí había un problema fue Richard Feynman. Hace 50 años que dio unas cuantas conferencias. Dictó las conocidas charlas denominadas "El carácter de la ley física". Dio clases a los estudiantes de pregrado de Caltech que luego se llamaron "Clases de física de Feynman". Dictó clases a los estudiantes graduados de Caltech que se volvieron "Clases de gravitación de Feynman". En todos sus libros, en todas esas series, él hacía hincapié en el enigma: ¿por qué el Universo temprano tenía tan baja entropía?

El decía (no voy a imitar su acento) "Por alguna razón el Universo en ese tiempo, tenía baja entropía para su contenido de energía y desde entonces la entropía ha venido creciendo. No es posible entender completamente la flecha del tiempo sin antes descubrir el misterio del comienzo del Universo, avanzando de la especulación a la comprensión". Y ese es nuestro trabajo. Queremos conocerlo --esto fue hace 50 años, "Sí, claro", pensarán Uds. "pensábamos que estaba resuelto" Pero no es cierto que ya esté resuelto.

La razón por la que el problema se ha complicado, en lugar de mejorarse, es porque en 1998 se descubrió algo crucial sobre el Universo, que antes no se sabía. Se supo que está acelerándose. El Universo no sólo se está expandiendo. Si miramos una galaxia, se está alejando. Y si volvemos a mirar mil millones de años después, la veremos moverse más rápido. Las galaxias, individualmente, se aceleran alejándose cada vez más rápido. Por eso decimos que el Universo se está acelerando. A diferencia de la baja entropía del Universo temprano, aunque no sabemos la respuesta, al menos tenemos una buena teoría para explicarlo, esperemos sea la correcta, es la teoría de la energía oscura. Es la idea que dice que el espacio vacío tiene energía.

En cada pequeño centímetro cúbico de espacio, haya o no algo ahí, haya o no partículas, materia, radiación o lo que sea, de todas formas hay energía en el espacio mismo. Y, según Einstein, esta energía ejerce presión sobre el Universo. Un impulso perpetuo que hace alejar las galaxias, unas de otras. Porque la energía oscura, a diferencia de la materia o la radiación, no se diluye con la expansión del Universo. La cantidad de energía en cada centímetro cúbico permanece igual, aunque el Universo se haga cada vez más grande. Esto tiene unas implicaciones cruciales en el futuro del Universo. En primer lugar, el Universo siempre continuará expandiéndose.

Cuando yo tenía la edad de ustedes, no sabíamos lo que iba a pasar con el Universo. Algunos pensaban que en el futuro volvería a colapsar. Einstein creía eso. Pero si existe la energía oscura y ésta no desaparece, el Universo continuará expandiéndose eternamente. 14 mil millones de años en el pasado, 100 mil millones de años caninos, una cantidad infinita de años hacia el futuro. Entre tanto, desde todo punto de vista, vemos el espacio como finito. Puede ser finito o infinito, pero como el Universo se está acelerando, hay partes que no podemos ver y nunca veremos. Hay una región finita del espacio a la cual podemos acceder, limitada por un horizonte. Así, aunque el tiempo continúe para siempre, el espacio, para nosotros, es limitado. Finalmente, el espacio vacío tiene una temperatura.

En la década del 70, Stephen Hawking dijo que un agujero negro, aunque se crea que es negro, en realidad emite radiación, de acuerdo con la mecánica cuántica. La curvatura del espacio-tiempo cerca de un agujero negro hace realidad las fluctuaciones mecánico-cuánticas, y el agujero negro emite radiación. Unos cálculos similares, muy precisos, de Hawking y Gary Gibbons, demostraron que si se tiene energía oscura en el espacio vacío, el Universo entero emite radiación. La energía del espacio vacío hace realidad las fluctuaciones cuánticas. Y aunque el Universo dure eternamente y la materia común y la radiación se diluyan, siempre habrá algo de radiación, algunas fluctuaciones térmicas, aún en el espacio vacío. Lo que quiero decir es que el Universo es como una caja llena de gas que durará eternamente. ¿Y eso qué consecuencia tiene?

Boltzmann estudió la consecuencia en el siglo XIX. Él dijo que la entropía aumenta porque hay muchas más formas que el Universo tenga alta entropía, a que la tenga baja. Pero esta es una afirmación probabilística. Se espera que siga aumentando con una probabilidad enormemente grande. No hay por qué preocuparse porque el aire en esta sala se concentre en una pequeña parte y nos asfixiemos. Es muy, muy poco probable. Salvo que cerraran las puertas y nos mantuvieran aquí, literalmente para siempre, así sí podría suceder. Todo lo que es permitido, toda configuración permitida para las moléculas en este salón, eventualmente podría ocurrir.

Boltzmann dice que podríamos comenzar con un Universo en equilibrio térmico. Él no sabía nada del Big Bang, ni de la expansión del Universo. Él pensaba que el espacio y el tiempo, como lo explicó Isaac Newton, eran absolutos y que así continuarían eternamente. Su idea de un Universo natural era tal que las moléculas de aire se esparcían uniformemente por todas partes, moléculas de todo. Pero si usted fuera Boltzmann, sabría que si espera lo suficiente, las fluctuaciones aleatorias de esas moléculas eventualmente las llevarán a configuraciones de entropía menor. Y entonces, en el curso natural de las cosas, se expandirán nuevamente. O sea, no es que la entropía siempre aumente; pueden tenerse fluctuaciones de menor entropía, situaciones más organizadas.

Y si esto es cierto, Boltzmann habría inventado dos ideas que hoy suenan muy modernas; el multiverso y el principio antrópico. Él decía que el problema del equilibrio térmico es que no podemos vivir en él. Recuerden que la vida misma depende de la flecha del tiempo. No podríamos procesar información, metabolizar, caminar o hablar si viviéramos en equilibrio térmico. Imagínense ahora un Universo muy, muy grande, infinitamente grande, con partículas que se chocan al azar; ocasionalmente habrá pequeñas fluctuaciones con estados de baja entropía para luego volver al estado de distensión. Pero también habrá grandes fluctuaciones. Ocasionalmente surgirá un planeta o una estrella, o una galaxia, o cien mil millones de galaxias. Y Boltzmann dice que solamente viviremos en esta parte del multiverso, en esta parte del conjunto infinitamente grande de partículas que fluctúan, donde es posible la vida. Esa es la región de baja entropía. Puede que nuestro Universo sea una de esas cosas que suceden cada tanto.

Ahora viene la tarea para Uds.; hay que pensar en esto, pensar qué significa. Carl Sagan dijo una vez: "para hacer un pastel de manzana, primero hay que inventar el Universo". Pero no es correcto. En el escenario de Boltzmann, si quieres hacer un pastel de manzana, sólo hay que esperar a que los movimientos aleatorios de los átomos te hagan el pastel. Eso sucederá con frecuencia mucho mayor a que los movimientos aleatorios de los átomos generen una huerta de manzanos azúcar, un horno y luego hagan el pastel de manzana. Este escenario hace predicciones. Y esas predicciones dicen que las fluctuaciones que nos generan a nosotros, son mínimas. Imagínense que este salón en el que estamos hoy existe y es real y aquí estamos, y no sólo tenemos recuerdos sino también la impresión de que allá afuera hay algo llamado Caltech y los Estados Unidos y la Vía Láctea. Es más fácil que estas impresiones fluctúen aleatoriamente en sus cerebros a que las cosas, en la realidad, fluctúen y existan Caltech y los Estados Unidos y la galaxia.

La buena noticia es que, como consecuencia, ese escenario no se da; no es correcto. El escenario predice que somos una mínima fluctuación. Aunque dejáramos por fuera nuestra galaxia, no llegaríamos a tener cien mil millones de otras galaxias. Y Feynman también entendía esto. Él dijo: "Por la hipótesis de que el mundo es una fluctuación, las predicciones dicen que si miramos una parte del mundo que nunca antes habíamos visto, la encontraremos toda revuelta, más que cualquiera que vimos antes; con mayor entropía. Si nuestro orden se debe a una fluctuación, no podemos esperar orden en todas partes, sólo en donde lo acabamos de encontrar. Por consiguiente, concluimos que el Universo no es una fluctuación". Eso está bien. La pregunta es entonces: ¿Cuál será la respuesta? Si el Universo no es una fluctuación, ¿por qué razón el Universo temprano tiene baja entropía? Me encantaría poder darles la respuesta, pero se me está acabando el tiempo.

(Risas)

Aquí está el Universo del que hablábamos, frente al que existe en realidad. Ya les había mostrado esta gráfica. El Universo se viene expandiendo desde hace unos 10 mil millones de años. Se viene enfriando. Pero ahora sabemos lo suficiente sobre el futuro del Universo, dicho ambiciosamente. Si la energía oscura permanece a nuestro alrededor, las estrellas que nos rodean usarán todo su combustible nuclear y dejarán de alumbrar. Se reducirán a agujeros negros. Viviremos en un Universo sin nada, sólo agujeros negros. Ese Universo habrá de durar 10 elevado a la 100 años; mucho más de lo que ha vivido hasta ahora. El futuro es mucho más largo que el pasado. Pero aún los agujeros negros no duran para siempre. Se evaporan y quedaremos sin nada, sólo espacio vacío. Ese espacio vacío, esencialmente ha de durar eternamente. Sin embargo, fíjense que como ese espacio vacío emite radiación, habrá fluctuaciones térmicas y se reciclarán las distintas combinaciones posibles de los grados de libertad que existan en el espacio vacío. Así que aunque el Universo ha de durar para siempre, sólo habrá un número finito de cosas que pueden suceder en él. Y todas ellas han de suceder en un período de tiempo igual a 10 elevado a la 10, elevado a la 120, años.

Y ahora hay dos preguntas para ustedes. La primera: Si el Universo durará 10 elevado a la 10, elevado a la 120, años, ¿por qué razón nacimos en los primeros 14 mil millones de años, pasado el Big Bang, en un momento cálido y confortable, ¿Por qué no estamos en el espacio vacío? Dirán ustedes, "es que no hay nada ahí para vivir". Pero eso no es correcto. Podríamos ser una fluctuación aleatoria de esa nada. ¿Por qué no lo somos? Otra tarea para el hogar.

Cómo ya dije: no sé la respuesta. Pero voy a darles mi escenario favorito. Puede que así sea. Pero no hay explicación. Son datos fríos sobre el Universo que toca aceptar sin hacer preguntas. Puede ser que el Big Bang no sea el principio del Universo. Un huevo sin abrir es una configuración de baja entropía y aún así, al abrir el refrigerador no decimos, "¡Ajá!, qué sorpresa encontrar esta configuración de baja entropía en mi refrigerador". Esto es porque el huevo no es un sistema cerrado; viene de una gallina. Es posible que el Universo venga de una gallina universal. Puede ser que exista algo que, de manera natural, según el desarrollo de las leyes de la física, le dé origen a un Universo como el nuestro, con una configuración de baja entropía. Si es así, esto habría de suceder más de una vez; seríamos parte de un multiverso mucho más grande. Este es mi escenario favorito.

Pero los organizadores me pidieron que terminara con una especulación atrevida. Mi especulación audaz es que la historia me dará la razón totalmente. Y dentro de 50 años, todas mis ideas extravagantes serán aceptadas como verdaderas por la comunidad científica y por todo el mundo. Todos aceptaremos que nuestro pequeño Universo es sólo una pequeña parte de un multiverso mucho mayor. Y aún mejor, entenderemos lo que sucedió en el Big Bang en función de una teoría que podremos comparar con observaciones. Esta es mi predicción. Puedo estar equivocado. Pero la especie humana ha venido pensando por muchos, muchos años, sobre cómo es el Universo y por qué surgió de esta forma. Es emocionante pensar que finalmente podemos conocer la respuesta.

Gracias.

(Aplausos)