¿Qué fue el Big Bang (Gran Explosión) y qué pasó antes de él?: Científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (FUW) han intentado responder a esta cuestión. En el marco de la Gravedad Cuántica de bucles, han presentado un nuevo modelo teórico que podría ser útil para validar la hipótesis acerca de los acontecimientos previos al Big Bang. Este logro es uno de los pocos modelos que describen la totalidad de la teoría de Einstein y no solo su versión simplificada.

El profesor Lewandowski junto a The Kitchen, obra de Picasso de 1948 del Museo de Arte Moderno en Manhattan. Las líneas de la obra son bastante parecidas a los gráficos que muestran la evolución de los estados cuánticos del campo gravitatorio de la Gravedad Cuántica de bucles.

Físicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia han presentado en las páginas de la revista Physical Review D un nuevo modelo teórico de la Gravedad Cuántica, que describe el nacimiento del espacio-tiempo a partir de las estructuras de la Teoría Cuántica. No solo es uno de los pocos modelos que describe la Teoría Completa de la Relatividad, propuesta por Einstein, sino que también es completa y matemáticamente consistente. “Las soluciones utilizadas permiten trazar la evolución del Universo de una manera físicamente más aceptable que en el caso de los modelos cosmológicos anteriores”, ha manifestado el profesor Jerzy Lewandowski de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (FUW).

Mientras que la Teoría General de la Relatividad se utiliza para describir el Universo a escala cosmológica, la Mecánica Cuántica se utiliza para describir la realidad a escala atómica. Ambas teorías fueron desarrolladas a comienzos del siglo XX. Su validez ha sido confirmada por observaciones y experimentos muy sofisticados. El problema radica en el hecho de que ambas teorías son mutuamente excluyentes.

De acuerdo con la Teoría General de la Relatividad, la realidad siempre se determina de forma única (como en la Mecánica Clásica). Sin embargo, el tiempo y el espacio juegan un papel activo en los acontecimientos y ellos mismos están sujetos a las ecuaciones de Einstein. Según la Física Cuántica, por otra parte, solo se puede obtener un conocimiento aproximado de la naturaleza. Una predicción solo puede realizarse con una determinada probabilidad; su precisión está limitada por las propiedades que le son inherentes. Pero las leyes actuales de la Teoría Cuántica no son aplicables al tiempo y al espacio. Tales contradicciones resultan irrelevantes en condiciones normales -las galaxias no están sujetas a los fenómenos cuánticos y la gravedad cuántica desempeña un papel de menor importancia en el mundo de los átomos y partículas-. Sin embargo, los efectos cuánticos y la gravedad necesitan fusionarse en las condiciones próximas al Big Bang.

Los modelos cosmológicos tradicionales describen la evolución del Universo dentro del marco de la Teoría General de la Relatividad. Las ecuaciones más importantes de la teoría sugieren que, el Universo es dinámico, esta en constante expansión. Cuando los teóricos intentan descubrir como era el Universo en tiempos pasados, llegan a una etapa en donde la densidad y la temperatura se hacen infinito, en otras palabras, pierden su significado físico. Por tanto, los infinitos solo pueden indicar la debilidad de la teoría, anterior al momento del Big Bang y carecen de sentido en el nacimiento del Universo.

Con el fin de obtener al menos algún conocimiento acerca de la Gravedad Cuántica, los científicos desarrollan modelos cuánticos simplificados, conocidos como Modelos Cuánticos Cosmológicos, en los que la materia y el espacio-tiempo se expresan como un valor único, o con solo unos pocos valores. Por ejemplo, el modelo desarrollado por Ashtekar, Bojowald, Lewandowski, Pawłowski y Singh predicen que la Gravedad Cuántica impide el incremento de la densidad de la materia a partir de un determinado valor crítico (del orden de la densidad de Planck). En consecuencia, debe haber existido un Universo en contracción con anterioridad al Big Bang. Cuando la densidad de la materia alcanzó el valor crítico, le siguió una rápida expansión, el Big Bang conocido como el Big Bounce (el Gran Rebote). Sin embargo, el modelo es un modelo muy simplificado, casi como de juguete.

La verdadera respuesta al misterio del Big Bang, se encuentra en una Teoría Cuántica Unificada de Materia y Gravedad. Un intento de desarrollar una teoría de esta naturaleza lo constituye la Gravedad Cuántica de Bucles (LQG). Esta teoría sostiene que el espacio se teje a partir de hilos unidimensionales.

Wojciech Kamiński, Licenciado en Ciencias del FUW, lo describe así; “Es como en el caso de una tela, -aunque parezca suave a distancia- se hace evidente al aproximarse y ver que está compuesta por una cadena de fibras”. Dicho espacio está constituido por un tejido fino, una región de un centímetro cuadrado podría tener 1066 hilos.

Los físicos Marcin Domagała, Wojciech Kamiński y Jerzy Lewandowski, junto con Kristina Giesel (invitada) de la Universidad de Louisiana, desarrollaron su modelo en el marco de la Gravedad Cuántica de Bucles. Los puntos de partida para el modelo consta de dos campos, siendo uno de ellos el campo gravitatorio. “Gracias a la Teoría General de la Relatividad, sabemos que la gravedad constituye la verdadera geometría del espacio-tiempo. Podemos afirmar por lo tanto que, nuestro punto de partida es el espacio tridimensional”, afirma Marcin Domagała, PhD (Doctor en Filosofía) del (FUW).

El segundo punto de partida es un campo escalar, < un parámetro matemático> en el que, a cada punto del espacio se le asigna un valor determinado. En el modelo propuesto, los campos escalares se interpretan como la forma más simple de materia. Los campos escalares se conocen en la física durante años, y se aplican entre otros para describir la distribución de la temperatura y la presión en el espacio. “Hemos optado por un campo escalar ya que es la característica típica de los modelos cosmológicos actuales y nuestro objetivo es desarrollar un modelo que constituya otro paso adelante en la investigación de la Gravedad Cuántica”, manifiesta el profesor Lewandowski.

En el modelo desarrollado por los físicos de Varsovia, el tiempo aparece como la relación entre el campo gravitatorio (espacio) y el campo escalar, un momento en el tiempo viene dado por el valor del campo escalar. “Nosotros planteamos la cuestión acerca de la forma del espacio para un valor dado del campo escalar, y las ecuaciones cuánticas de Einstein nos dan la respuesta”, aclara el profesor Lewandowski. Por lo tanto, el fenómeno del paso del tiempo surge como la propiedad de los estados de los campos gravitacionales y escalares, y la parición de dicho estado, corresponde al nacimiento del conocido espacio-tiempo. “Merece la pena hacer la observación de que el tiempo no existe al comienzo del modelo. La acción y la dinámica aparecen como la interrelación entre los campos cuando comenzamos a hacer preguntas acerca de cómo un objeto se relaciona con otro”, aclara Lewandowski.

Los físicos de FUW han hecho posible dar una explicación más precisa de la evolución del Universo, dado que los modelos basados en la Teoría General de la Relatividad se simplifican y asumen que el campo gravitatorio en cada punto del Universo es idéntico o con ligeros cambios, el campo gravitatorio en el modelo propuesto puede ser diferente en diferentes puntos del espacio.

La construcción teórica que se propone es la primera de estos modelos muy avanzados, que se caracterizan por su coherencia matemática interna. Se presentan como la continuación natural de la investigación sobre la Cuantización de la Gravedad, donde cada nueva teoría deriva de las teorías clásicas. Para ello los físicos recurren a determinados algoritmos conocidos como cuantizaciones. “Desafortunadamente para los físicos, los algoritmos distan mucho de ser precisos. Por ejemplo, un algoritmo puede aproximarse a lo que se necesita para construir un espacio de Hilbert (*), pero no arroja detalles”, aclara Marcin Domagala MSc (Master en Ciencias). “Hemos tenido éxito en la realización completa de una cuantización y conseguir uno de los modelos posibles”.

Según el profesor Lewandowsky, todavía queda un largo camino por recorrer: “Hemos desarrollado una cierta maquinaria teórica. Podemos comenzar a plantearnos preguntas que nos proporcionarán respuestas”. Los teóricos de la FUW intentan entre otros, investigar si el Big Bounce realmente tuvo lugar en su modelo”. En el futuro, intentaremos incluir en el modelo más campos de partículas elementales del Modelo Standard. Nosotros mismos tenemos curiosidad por saber que va a suceder”, afirma el profesor Lewandowski.

Fuente: Science Daily

(*) N del T. En matemáticas, el concepto de espacio de Hilbert es una generalización del concepto de espacio euclídeo. Esta generalización permite que, nociones y técnicas algebraicas y geométricas aplicables a espacios de dimensión dos y tres, se extiendan a espacios de dimensión arbitraria, incluyendo espacios de dimensión infinita.