¿Qué pasó antes del Big Bang? (Homenaje a Stephen Hawking)

by Alfonso Viudez , 13 julio, 2018

Mi objetivo es simple. Es un completo conocimiento del universo, por qué es como es y por qué existe.

Stephen Hawking

El pasado 14 de Marzo falleció  en su casa de Cambridge el científico británico Stephen Hawking, cincuenta y cuatro años después de que le fuese diagnosticada la enfermedad de esclerosis lateral amiotrófica (ELA) que le dejó postrado en una silla de ruedas y le privó de la facultad de hablar. Además del ejemplo personal que nos dejó por su enorme coraje para sobreponerse a su enfermedad, el profesor Hawking pasará a la historia por sus trabajos sobre cosmología, centrados en la investigación sobre los agujeros negros y la posibilidad de unificar las dos grandes teorías de la física del siglo XX: la relatividad general y la mecánica cuántica. Adicionalmente, el físico británico será recordado por sus populares textos divulgativos como la célebre “Historia del Tiempo” (1988), libro que acercó los secretos del cosmos al gran público y despertó la vocación científica de toda una generación de lectores entre los cuales se incluye agradecido el que escribe estas líneas.

El primero de los grandes logros científicos de Hawking llegó con su tesis doctoral en la que, apoyándose en el trabajo de Roger Penrose sobre los agujeros negros, defendía la brillante hipótesis de que el universo  comenzó su evolución a partir de una singularidad inicial, un punto de temperatura y densidad infinitas donde el tiempo cesa y las leyes físicas no rigen. Su trabajo constituyó un sólido respaldo matemático para la por entonces cuestionada teoría del Big Bang sobre el origen del universo [1]. Frente a otros modelos predominantes a principios de los 60 como el del Estado Estacionario, la teoría del Big Bang propone que el universo, lejos de permanecer siempre estático, había evolucionado por expansión a partir de un instante inicial en el que todo se encontraba condensado en un punto de densidad infinita. Esta idea de la expansión del cosmos se encontraba implícita en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, tal y como supieron deducir  de sus ecuaciones el físico ruso Alexander Friedman y el físico y sacerdote belga George Lemaitre. Éste último llevó  dicho resultado a una sorprendente implicación: si el universo se está expandiendo debería haber sido en un pasado más pequeño de lo que ahora es, resultando que en un principio todo el universo estaba comprimido en un pequeño volumen llamado huevo cósmico o átomo primitivo. Una «gran explosión» de este huevo cósmico acabó por dispersar toda la materia y la energía que, desde entonces, se encuentran en expansión. Aunque esta idea fue inicialmente descartada por la comunidad de físicos, con Einstein a la cabeza, el descubrimiento experimental del astrónomo E. Hubble de que el universo se encontraba efectivamente en expansión cambió la situación radicalmente. Adicionalmente, el físico ruso G. Gamow y sus colaboradores aportaron la idea de que en el pasado el universo no sólo debía haber sido más denso o compacto, sino también más caliente. De esta forma, a medida que se expandía, el universo no sólo incrementaba su tamaño sino que también se enfriaba (igual que ocurre con los gases). Una de las consecuencias de esta idea era el que la radiación que debió acompañar a la gran explosión inicial habría ido perdiendo energía a medida que el universo se expandía, debiéndose encontrar actualmente en forma de emisión de baja energía procedente de todas las partes del universo como una radiación de fondo homogénea. El descubrimiento accidental por parte de A. Penzias y R. Wilson de esta radiación de fondo cósmico, predicha por el grupo de Gamow, fue considerado como una prueba decisiva a favor de la cosmología del Big Bang. En este contexto, el trabajo de Penrose y Hawking podía considerarse como una demostración matemática de la misma.

Ahora bien, tal y como queda dicho, el modelo del Big Bang nos describe cómo se desarrolló nuestro universo a partir de una singularidad inicial (un punto de densidad y temperatura infinitas), sin embargo, no nos dice nada acerca de cómo todo ello pudo emerger de la nada. Dicho de otro modo: aunque el Big Bang nos explica cómo ha evolucionado nuestro universo, no responde a la pregunta última por su origen. Cuando se hace esta pregunta es común que los físicos se parapeten tras una serie de evasivas aporéticas que aspiran a mantener la ilusión cientificista en las posibilidades de la física para explicarlo todo y ocultan el hecho de que lo más honesto que se puede hacer ante este tipo de cuestiones es guardar silencio.

Una de las respuestas favoritas de los cosmólogos ante la pregunta ¿qué pasó antes del Big Bang? es que no pudo pasar nada puesto que el propio tiempo se creó en la Gran Explosión. En efecto, en la relatividad general el espacio y el tiempo dejan de ser un mero escenario de la fenomenología cósmica (como ocurría en la física de Newton) para convertirse en agentes activos de la misma. De acuerdo con esto, el Big Bang constituyó no sólo la emergencia de toda la materia y energía que nos rodea, sino también del propio espacio-tiempo. Y como no existía en tiempo antes del Big Bang, la pregunta acerca de lo que pasó antes queda entonces disuelta -que no respondida- por su inherente falta de sentido. En el contexto de esta discusión, nos trae a colación Stephen Hawking las palabras de San Agustín cuando se le preguntó por lo qué hacía Dios antes de crear el universo: dijo que el tiempo era una propiedad del universo que Dios había creado y no existía con anterioridad al principio, en lugar de decir que estaba creando el infierno para quien hiciese preguntas tan capciosas [2]. Ahora bien -a mi modo de ver- aunque el  anterior razonamiento resuelve la cuestión en un sentido temporal, no lo hace en un sentido causal pues, si el Big Bang supuso el origen del universo (incluidos espacio y tiempo) ¿qué motivó tal acontecimiento? Ante esta cuestión uno puede admitir que o bien el universo apareció de la nada sin causa aparente (lo cual parece un atentado contra la propia lógica), o bien surgió a partir de una realidad preexistente. A esta última opción es hacia donde apuntan ciertas especulaciones más metafísicas que puramente físicas (por carecer de posibilidad de contrastación empírica) que proponen que nuestro universo procede de un “universo padre” anterior. Obviamente, aunque este enfoque  explicaría plenamente la procedencia de nuestro universo, no hace sino posponer la cuestión del origen a un “universo padre” cuya existencia sería tan enigmática como ahora nos resulta la del hijo.

Otra estrategia cosmológica frecuente recurre a los fundamentos de la mecánica cuántica para abordar el principio del cosmos: concretamente al  célebre Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Lo que afirma dicho principio es no pueden determinarse simultáneamente y con precisión los valores de ciertas observables complementarias (aquellas cuyo producto tiene las dimensiones de la constante de Planck h) como es el caso del tiempo y la energía de un sistema cuántico.  Cuando se determinan simultáneamente el tiempo y la energía, el producto de sus incertidumbres ΔE y Δt debe cumplir que:

ΔE·Δt ≥ h/4π

De acuerdo con la anterior inecuación ocurre que si una de las dos incertidumbres es muy pequeña, la otra tendrá que ser elevada para cumplir la desigualdad. Lo que se propone, en relación con este principio, es que el universo pudo surgir del vacío a partir de una fluctuación cuántica puesto que, durante un intervalo de tiempo Δt infinitamente pequeño (en matemáticas se diría infinitesimal), pudo emerger una cantidad de energía ΔE lo suficientemente grande como para formar nuestro universo. Después y, antes de que esa fluctuación se extinguiese, la enorme cantidad de energía “explotó” y la separación de la materia, al crearse el espacio, impidió que se volviese al estado inicial. De esta forma puede explicarse la aparición de todo un universo a partir del vacío. Lo engañoso de este argumento reside en que el vacío cuántico no es en modo alguno equivalente a la nada filosófica, sino que antes bien es una realidad preexistente, definida como el nivel más bajo de energía del campo cuántico, que posee estructura al obedecer las leyes cuánticas y que, lejos de ser algo estático, posee una frenética actividad por estar sometido a las continuas fluctuaciones que predice el principio de Heisenberg. El vacío cuántico anterior al universo resulta para nosotros tan misterioso como el universo cuyo origen pretendemos entender: otra vez se ha pospuesto la cuestión esencial.

Entre las propuestas de los físicos para entender el origen del universo, mi favorita -por su belleza- es la elaborada por James Hartle y Stephen Hawking, consistente en un universo cerrado sobre sí mismo y autocontenido, finito pero carente de límites. Según estos autores, al comienzo del universo éste tenía un tamaño tan pequeño que es necesario para describirlo combinar la teoría de la relatividad general con la mecánica cuántica. Al unir ambas teorías resulta que puede ocurrir que el tiempo esté tan deformado que se comporte exactamente como una dimensión espacial; de esta forma, en el universo primitivo habría cuatro dimensiones espaciales y ninguna de tiempo. Según esta concepción el universo carece de origen y, aunque esté limitado en el pasado, carece de frontera, estrictamente hablando. Como dijo Hawking: “La condición de contorno del universo es que no tiene contorno” [3]. Para entender esta idea podemos recurrir a un par de analogías. La primera es la que compara la solución vista al origen del universo con la solución dada al problema del borde del mundo. Cuando los sabios pensaban que la Tierra era plana discutían acerca de si la Tierra era o no limitada y todas las posiciones parecían problemáticas: si se admitía que carecía de límites se debía pensar en una Tierra infinita, lo que se antojaba absurdo, pero si se admitía la finitud de la Tierra nos encontrábamos ante el problema de pensar que el agua del mar podría derramarse por el borde. Obviamente, la respuesta correcta es que la superficie terrestre no es plana sino esférica y, por tanto, es finita aunque carece de bordes: esta respuesta resuelve todas las paradojas. También surgen paradojas similares cuando se afronta la cuestión del origen del universo. Como Kant hizo notar, resulta una pregunta antinómica pues, si el universo no hubiese tenido un principio, habría habido un periodo de tiempo infinito anterior a cualquier acontecimiento, lo que consideraba absurdo, pero si el universo tuvo un principio entonces habría habido un periodo de tiempo infinito anterior a él y en ese caso ¿por qué habría  de empezar el universo en un instante particular cualquiera? Al proponer que el universo es finito aunque carece de límites, todas las paradojas en torno al origen del universo parecen disolverse. Una segunda analogía consiste en imaginar el origen del universo como el polo Sur terrestre; según Hawking, preguntar lo que ocurrió antes del universo sería tan absurdo como preguntar qué hay más al sur del Polo Sur [4]. Ahora bien, esta propuesta de un universo, matemáticamente elegante, finito pero carente de principio, esquiva hábilmente el problema de la creación pero nos deja en la tesitura de admitir que el mismo simplemente existe: el misterio del ser sigue sin haberse rozado ni aún de lejos.

Ante la impotencia de la física por desvelar el misterio del cosmos, no faltará quien se sienta justificado a apelar a la figura de Dios, pues la existencia de un universo presupone a un creador en la misma medida en que la existencia de un reloj presupone la del relojero. Esta es una forma simple del llamado argumento cosmológico que entiende que, pues todo ha de tener una causa, el mundo ha de tener a Dios como causa primera. Ahora bien, tal y cómo Bertrand Russell aprendió  de John Stuart Mill, si se admite que todo ha de tener una causa, entonces Dios mismo debería tener una (algo así como un padre de Dios) y  de esta manera podríamos remontarnos hasta el infinito. Si lo que uno piensa es que Dios no necesita, por definición, causa alguna, entonces cabe preguntarse por qué no admitir que el universo tampoco la necesita: estamos ante una clara falacia [5]. Este tipo de dificultades de razonamiento son típicas acerca de las cuestiones sobre el universo entendido como el conjunto de todos los hechos. En efecto, en ciencia se presupone que cada hecho natural debe tener una causa que lo explique; sin embargo, no resulta tan obvio admitir que el universo (la suma de todos los hechos) deba tener una, pues el universo y sus hechos pertenecen a esferas lógicas diferentes. Bertrand Russell explicaba esto de forma brillante al decir que, si bien todos los hombres tienen una madre, la humanidad -el conjunto de todos los hombres- carece de la suya [6].

Y llegados a este punto, tras tanto cavilar, seguimos sumidos en la misma perplejidad que al principio por la existencia del cosmos. La misma perplejidad que alimenta todo quehacer filosófico y científico. La misma que empujó a Stephen a hacerse preguntas durante toda su vida y a encontrar por el camino repuestas para algunos de los más oscuros enigmas del universo. La misma perplejidad en la que nos sume la muerte, especialmente cuando es de alguien al que queremos o admiramos. Entonces sólo nos queda la desesperada insistencia por darnos de bruces, una y otra vez, ante la pregunta metafísica por excelencia: ¿por qué hay algo y no más bien nada?

Descanse en paz, profesor.

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[1] Stephen W. Hawking, «Historia del tiempo. Del Big Bang a los agujeros negros», Ed. Círculo de Lectores 1988, p 88-91.

[2] Stephen Hawking, op. cit. p 29

[3] Ibid., p 212.

[4] Stehpen Hawking y Leonard Mlodinow, «El gran diseño», Ed. Crítica 2010, p 154

[5] Bertrand Russell, «¿Por qué no soy cristiano?», Ed Edhasa 2001, p 20-22

[6] Bertran Russell y F. C. Copleston, «La existencia de Dios». Debate radiofónico de la BBC entre Bertrand Russell y el padre F. C. Copleston. Ed Edhasa 2001, p 267.