La guía del Multiverso

Recreación, de Sam Chivers

Ya sea que estemos buscando en el cosmos o sondeando en el reino subatómico, nuestras teorías con más éxito llevan a la ineludible conclusión de que nuestro universo es sólo una mota de polvo en un inmenso mar de universos.

Hasta hace poco, muchos físicos eran reacios a aceptar la idea del multiverso. Los recientes avances en la cosmología, la teoría de cuerdas y la mecánica cuántica, sin embargo, ha traído consigo un cambio de sentir al respecto. "El multiverso no es una especie de cosa opcional sobre la que puede elegir o no", comenta Raphael Bousso, un físico teórico de la Universidad de California, Berkeley. Nuestra propia historia cosmológica, nos dice que "está ahí y que tenemos que lidiar con ello".

En estos días, investigadores como Bousso están tratando el multiverso como algo real que investigar y probar, y ver lo que nos dice sobre nuestro universo. Uno de las principales motivaciones es la necesidad de explicar por qué las leyes físicas que subyacen en nuestro universo parecen tan ajustadas finamente para permitir que las galaxias, estrellas, planetas y la química compleja, la vida, y nosotros, podamos existir. En lugar de apelar a la suerte ciegs o un Dios, hay quienes sostienen que nuestra existencia establece unos parámetros de arranque fiable de universos como el nuestro, desde lo profundo del multiverso.

Sin embargo, hay un problema. Las diferentes teorías derivan en muy diferentes tipos de multiversos. La teoría estándar actual sobre el origen del universo, por ejemplo, predice una extensión infinita de otros universos, incluyendo un número infinito de duplicados de que usted está leyendo esta frase, y preguntándose si esas otras versiones realmente existen. Entre tanto, la teoría de cuerdas, que espera obtener de las partículas, las fuerzas y las constantes de los principios fundamentales de nuestro universo, en su lugar descubre un mar de 10500 universos, radicalmente diferentes al nuestro. Incluso la mecánica cuántica implica que nuestro universo es un solo copo dentro de una tormenta de nieve de universos paralelos (ver diagramas, "La jerarquía del multiverso").

Jerarquía multiverso nivel 1. NewScientist.com

Ahora nos enfrentamos a tratar de entender y relacionar estas ideas de uno con otro. En los últimos tiempos, hemos hecho enormes progresos para darle un sentido teórico a los conceptos del multiverso. Al mismo tiempo, varios grupos declaran haber hecho las observaciones astronómicas que apoyan esta idea. Parece que por fin estamos empezando a encontrar nuestro lugar dentro del universo de universos.

Podemos rastrear la idea de multiverso desde principios de 1980, cuando los físicos se dieron cuenta que el Big Bang creaba un problema igual de grande. Cuando los astrónomos medían su resplandor, esa conocida radiación del fondo cósmico de microondas (CMB), se encontraron con que era insondablemente uniforme, incluso en los extremos opuestos del universo visible. Se hallaban temperaturas coincidentes entre regiones muy distantes entre sí, dentro de 1/10.000 de grado, y como ahora sabemos eso es tan sorprendente como si encontráramos que sus habitantes, puesto el caso, hablaran el mismo idioma, señala Brian Greene, físico de la Universidad de Columbia en Nueva York.

El problema fue resuelto con brillantez por los cosmólogos Alan Guth, del Instituto Tecnológico de Massachusetts y Andrei Linde de la Stanford University, California, entre otros. Su idea era que en los primeros 10-35 segundos de existencia del universo, el espacio se expandió por un factor de alrededor de 1030. Este estiramiento, conocido como inflación, explica la uniformidad de la temperatura del CMB y resuelve otro enigma: por qué el espacio aparece plano, como la versión tridimensional de una tabla infinita. La inflación se ha convertido en una teoría de un éxito increíble, precisamente, porque predice las sutiles ondas ya medidas del CMB, que son el eco de las perturbaciones cuánticas que siembran las galaxias y las estrellas.

El intento de Guth y Linde por explicar nuestro universo también condujo directamente a un multiverso. Y esto es porque la inflación no se detiene en las regiones más remotas de las cuales viaja la luz hasta nosotros. Dependiendo de cómo se desarrolló la inflación, dice Guth, el universo podría ser 1010 ó 1020 veces, o incluso infinitamente más grande que el universo visible. La inflación implica una expansión más rápida que la velocidad de la luz, lo que significa que más allá del horizonte de nuestro universo observable, se encuentran otras partes del universo que están efectivamente separadas del nuestro. Ninguna influencia puede viajar entre estas regiones, básicamente, creando un número infinito de otros mundos.

Jerarquía multiverso nivel 2. NewScientist.com

¿Qué les parece? Max Tegmark, también un cosmólogo del MIT, señala que aunque la inflación predice una gran cantidad de universos, todos ellos disponen de las mismas partículas, fuerzas y leyes físicas que encontramos en nuestra parcela cósmica. Pero mientras que en nuestro universo partículas elementales forman estrellas y galaxias de una determinada manera, otro universo vecino contendrá una disposición diferente de estrellas y galaxias, y así otros de otros vecinos. No obstante, Tegmark ha demostrado que incluso si un universo como el nuestro estuviese completamente lleno de partículas elementales, sólo pueden estar dispuestas en un número finito de formas. Es un número enorme, 2 elevado a la potencia de 10118, pero puesto que no hay señales de que el espacio sea finito, hay espacio para que cualquier disposición pueda repetirse.

Esto significa que si usted viaja lo suficiente, tarde o temprano se encontrará con un universo que contiene una copia idéntica de usted. Tegmark ha calculado que su copia más cercana vive a 10 elevado a la potencia de 1029 metros de distancia. Y un universo gemelo al nuestro podría encuentrarse a 10 elevado a la potencia de 10118 metros de aquí (arxiv.org/abs/0905.1283v1). En la medida que un universo infinito alberga un infinito número de variaciones, en algún lugar tú acabas de ganar los 100 metros olímpicos, así que, ¡Felicitaciones!

Tan abundantes como son estos universos, no significa que haya nada de exótico sobre ellos. Las clases de universos de Tegmark implican una inflación simple, o una expansión infinita del espacio como en el primer nivel de una jerarquía de cuatro niveles, esto cada vez es más extraño.

Tomemos el segundo tipo de multiverso. Poco después de que la inflación fuese descubierta, Linde dijo que podría ser un proceso continuo y eterno. Cuando la enorme energía del espacio vacío crea un universo bebé de la inflación, el espacio a su alrededor, todavía crepita con la energía, y sigue creciendo aún más rápido. De ese espacio podrína brotar más universos que se autoinflacionan, y así sucesivamente. "Prácticamente todos los modelos de inflación que se han discutido predicen la inflación eterna", comenta Alexander Vilenkin en la Universidad Tufts de Boston, que fue pionero de la idea en la década de 1980.

La enorme variedad de inflación eterna incluyen un número infinito de universos de nivel 1, aunque muchas otras variedades también. Cada universo se convierte de forma diferente, por lo que las características que se pensaban universales, como la masa de las partículas elementales y la fortaleza de las fuerzas fundamentales, también son diferentes. Los universos burbuja de la inflación eterna incluyen todas las permutaciones que permiten las leyes de la física.

Estos universos son parte del segundo nivel de jerarquía del multiverso de Tegmark. Entre ellos, algunos de la serie de 10500 universos implícitos en la teoría de cuerdas, el principal contendiente para una "teoría del todo" que explique todas las partículas y las fuerzas de la naturaleza.

Jerarquía multiverso nivel 3. NewScientist.com

Modelo estándar actual de la física de partículas incluye una veintena de parámetros, cuyos valores físicos se pueden medir, pero no se pueden explicar, como la masa de un electrón. Los teóricos de las cuerdas esperaban que su teoría explicaría por qué esos parámetros tienen esos valores, y de esta manera, saber por qué nuestro universo es como es.

Fuimos contrariados seriamente. En lugar de producir un perfecto copo de nieve (las partículas, las fuerzas e interacciones que sustentan nuestro universo), la teoría de cuerdas desató una avalancha de universos, una desmoralizadora expansión que Leonard Susskind, físico teórico en la Universidad de Stanford, denominó el paisaje de la teoría de cuerdas.

Lo que diferencia a estos universos es la naturaleza de su espacio-tiempo. En la teoría de cuerdas, las partículas de la naturaleza y las fuerzas provienen de las vibraciones de pequeñas cuerdas en 10 dimensiones. La razón de que sólamente experimentemos cuatro dimensiones es porque el resto están "compactadas" o anudadas dentro intrincadas estructuras, demasiado pequeñas para nuestro nivel de experiencia. El papel que juega la física en cualquier universo dado depende de cuántas dimensiones son trituradas y de su estructura. Los investigadores han identificado un gran número de formas posibles que interactúan con los campos de la teoría de cuerdas que definen un gran número de universos, la mayoría con unas leyes físicas desconocidas, y fuerzas y partículas radicalmente distintas.

La inflación eterna proporciona un mecanismo convincente para llenar todos los puntos en este paisaje de la teoría de cuerdas con un número infinito de universos reales. "Al principio, los teóricos de cuerdas no le gustaba la idea del multiverso y querían tener una única solución, en cambio se encontraron con 10500", dice Linde. "Ahora tenemos que aprender a convivir con un universo que nos ofrece una enorme multitud de opciones."

Averiguar por qué nuestro universo es como es, cuando hay un gran número de alternativas, sigue siendo uno de los mayores retos de la cosmología. Nuestro universo parece inexplicablemente un ajuste fino que produce las condiciones necesarias para la vida. Si la gravedad fuera un poco más fuerte, el Big Bang habría sido un petardo. Un poco más débil y no se podría haber formado las galaxias y las estrellas. Si la carga electrónica difiere en unos pocos puntos porcentuales, las estrellas no podrían haber creado los elementos pesados ​​que forman los planetas como la Tierra. Si la fuerza nuclear fuerte variara a la mitad de su porcentaje, el carbono no existiría, y por ende tampoco la vida tal y como la conocemos. Encabezando la lista del ajuste fino está nuestra pequeña constante cosmológica del universo, una pequeña dosis de energía oscura que es la fuente de la expansión acelerada del universo.

El descubrimiento en la década de 1990 de que la expansión del universo se está acelerando, sorprendió a la mayoría de los cosmólogos. La teoría cuántica predice un nivel de energía oscura de alrededor de 10120 veces más grande que lo que se ha encontrado. A partir de la explosión del universo, la mayoría de los investigadores habían asumido que una cierta simetría no descubierta cancelaría esa enorme cantidad, dejando la constante cosmológica a cero. Nadie predijo que no sería cero, excepto una persona.

Una década antes, Steven Weinberg, físico ganador del premio Nobel, de la Universidad de Texas, en Austin, había predicho una pequeña constante cosmológica positiva. Y esa idea le vino por aplicar el razonamiento antrópico al multiverso, un enfoque que sigue siendo muy discutido. Weinberg razonaba que para que un universo generara las galaxias, y por lo tanto estrellas y planetas, la cantidad de energía oscura debía de caer dentro de cierto rango para que nosotros desde aquí podamos medirlo. Esto equivale a centrarse en un subconjunto de universos dentro del multiverso que tienen esas propiedades. Este enfoque probabilístico permitió a Weinberg predecir el valor de la constante cosmológica con una notable precisión.

"El descubrimiento de la constante cosmológica fue uno de los descubrimientos más inesperados del siglo pasado, y se pudo predecir debido al multiverso", señala Vilenkin. "Así que es una evidencia indirecta de que vivimos en un multiverso".

Desde entonces, otros investigadores han usado el razonamiento antrópico para limitar la cantidad de energía oscura, la proporción de materia oscura con la materia ordinaria, y la masa de las partículas elementales como los neutrinos y los quarks. Utilizando el razonamiento antrópico para filtrar nuestro tipo de universo desde el multiverso, al parecer, eso podría explicar ese misterioso ajuste fino. Podría, y de hecho, es la única manera. "Si las leyes y constantes físicas son diferentes en otros lugares", apunta Martin Rees, astrónomo de la Universidad de Cambridge, "es inevitable."

Lamentablemente hay un problema con el uso de este enfoque, para dilucidar la ubicación de nuestro universo en el multiverso: las reglas habituales de probabilidad no son aplicables, por lo que es imposible estimar la probabilidad de universos como el nuestro. "Si tenemos un número infinito de lugares donde ganar a la lotería, y un número infinito de donde no lo hacerlo ¿cuál sería la base para decir que ganar a la lotería es poco probable?" aduce Bousso. "Es como tirar de la alfombra bajo nuestro, para probar si una teoría es correcta o incorrecta."

Este "problema de medida" podría haber sido resuelto por Bousso y su estudiante I-Sheng Yang, ahora en la Universidad de Columbia. Se deshicieron de los molestos infinitos mediante una derivación de probabilidades de los parámetros de un universo local, quitando todo con lo que un observador nunca podrá interactuar. Estas probabilidades encontraron coincidencias con las de un enfoque alternativo promovido por Vilenkin y Jaume Garriga, en la Universidad de Barcelona, España, colocando las predicciones del multiverso en lo que, por primera vez, parecía tener una base sólida (New Scientist, 6 March 2010, p 28)

Mientras que los teóricos han hecho grandes avances en la comprensión de la cosmología de los multiversos, todavía quedan otros dos niveles de la jerarquía de Tegmark. El nivel 3 tiene sus orígenes en la teoría cuántica. Los físicos aceptan que la mecánica cuántica funciona brillantemente. Se puede utilizar, por ejemplo, para calcular el valor del momento magnético del electrón, y ser coincidente con las mediciones en una parte de mil millones. Sin embargo, todavía no han podido ponerse de acuerdo sobre lo que significa. En el reino cuántico, las partículas no existen como entidades separadas que se puedan precisar, sino como "ondas de probabilidad". La evolución de dichas ondas son lo que permite a los físicos predecir cómo los electrones cubren un átomo, cómo interactúan los quarks y los gluones, e incluso, cómo los objetos tan grandes, como los buckyballs pueden interferir como las ondas de luz (New Scientist, 8 May 2010, p 36)

La cuestión fundamental es qué pasa con las ondas de probabilidad de un objeto (su función de onda) cuando alguien lo mide. Niels Bohr, uno de los fundadores de la mecánica cuántica, declaró que la observación de una función de onda originaba su colapso y en su lugar aparece una partícula en un momento y lugar determinado. Eso explica por qué vemos tan sólo un resultado, entre las infinitas posibilidades que caracterizan la función de onda.

Sin embargo, la interpretación de Bohr ha sido muy criticada, porque sugiere que nada vuelve realidad hasta que alguien lo observa. En la década de 1950, estos argumentos llevaron a Hugh Everett, entonces estudiante graduado en la Universidad de Princeton, a explorar lo que ocurriría si desechara el argumento de Bohr. Cuando Everett representó la función de onda rodando a sus anchas, como las matemáticas de la teoría cuántica dijeron que lo hacía, llegó a una conclusión aún más sorprendente y controvertida. Conocida como la interpretación de los universos paralelos, se requiería la existencia de un vasto enjambre de universos paralelos al nuestro, en el que todas las posibilidades que pueden materializarse.

¿Son reales los mundos paralelos? Tan real como los dinosaurios, dice David Deutsch, un físico cuántico de la Universidad de Oxford. "Sólo hemos visto los fósiles y los dinosaurios son la única explicación racional para ellos", añade. "El que haya muchos mundos es la única explicación racional para los fenómenos cuánticos que observamos. Creo que esto es tan bueno como lo de los dinosaurios."

Los mundos paralelos de la teoría cuántica y los universos múltiples creados por la inflación eterna, no podría parecer más diferentes. Sin embargo, los teóricos han comenzado a explorar la idea de que ambos paisajes sean el mismo (New Scientist, 4 June, p 8). Bousso y Susskind, argumentan que ellos producen la misma colección de universos paralelos. "Pensamos desde hace mucho tiempo que la idea del multiverso y la de universos paralelos son descripciones redundantes de la misma cosa", señala Susskind. A principios de este año, él y Bousso, desarrollaron una forma coherente de aplicación de las reglas cuánticas para el multiverso. El multiverso inflacionario, concluyen, es simplemente una colección de todos los universos burbuja que permite la mecánica cuántica. "La realidad posibilística de la mecánica cuántica convierte esas realidades genuinas en el multiverso," agregó Susskind.

Tegmark también compara las infinitas variantes de nuestro universo en el multiverso de nivel 1, a una infinidad de mundos cuánticos. "La única diferencia entre el nivel 1 y el nivel 3", dice, "es dónde reside su doble".

Los multiversos mencionados hasta ahora, disminuyen el estatus de nuestro universo a la categoría de una piedra en un vasto paisaje, pero al menos permitirá que sea real. El filósofo Nick Bostrom, de la Universidad de Oxford, sube la apuesta, con el argumento de que nuestra experiencia del universo es tan sólo una simulación ejecutada en la supercomputadora de una civilización avanzada.

Jerarquía multiverso nivel 4. NewScientist.com

Su argumento es simple. Unas civilizaciones que en el pasado desarrollaron una potencia de cálculo prácticamente ilimitado. Alguna de ellas recorrieron "simulaciones de antepasados", unas reconstrucciones de sus antepasados ​​o de otros seres. Al igual que millones de nosotros cuando jugamos a los videojuegos, como "Los Sims", una civilización de trans-humanos probablemente ejecutando simulaciones múltiples, así que ve posible que estemos en alguna de ellas. Bostrom duda de que encontremos pruebas de que lo que hacemos o lo que vivamos sea en una simulación. Argumenta que una civilización avanzada, lo suficientemente inteligente como para crear una simulación, en primer lugar evitaría que la gente del interior se pudiese dar cuenta de tal problema, o borraría las evidencias. Aunque Tegmark categoriza ésta y varias incursiones más especulativas como multiversos de nivel 4.

Puede que no seamos capaces de probar o refutar una simulación, pero ¿qué pasa con otros los tipos de multiversos? Los teóricos apuntan a varias formas en que otros universos podrían dejarnos señales que podamos observar. Por ejemplo, los universos burbuja de una inflación eterna pueden colisionar. El resultado podría ser la aniquilación. "Si estás en una burbuja y la pared se acelera hacia usted, suele ser una mala noticia", dice Matthew Kleban, físico teórico de la Universidad de Nueva York. Sin embargo, en algunos casos, las burbujas rebotan, dejando una mancha delatadora en el CMB. Kleban y sus colegas han calculado esos detalles, una mancha simétrica dentro de un rango dado de tamaños, se distinguiría de su entorno, ya que tendría una temperatura y una polarización diferente (arxiv.org/abs/1109.3473).

Pues, algo similar se ha visto en el CMB, pero Kleban admite que la evidencia de una colisión es todavía débil. Sin embargo, dice, una colisión podría ser confirmada por los datos del satélite Planck, que está estudiando el CMB, o tal vez en futuras misiones. Tal descubrimiento podría provocar una nueva revolución copernicana. "Se nos diría que estamos dentro de una burbuja, que está integrada junto con un gran número de otras burbujas, y con diferentes leyes de la física", declara. "Eso sería un descubrimiento sensacional."

La mecánica cuántica predice que los universos emergentes comienzan entrelazados unos con otros. Que ese temprano entrelazamiento puede dejar signos de larga duración. "En el momento en que haya un mecanismo físico que muestre cómo nace un universo, acabas con una serie de predicciones de cómo ese universo podría terminarse", señala Laura Mersini-Houghton, cosmóloga de la Universidad de Carolina del Norte, en Chapel Hill. Ella y sus colegas utilizaron este enfoque para generar cuatro predicciones que, según ella afirma, todas han sido confirmadas.

Uno de ellos fue la existencia de un vacío enorme en nuestro universo. Los datos del satélite WMAP de la NASA y el Sloan Digital Sky Survey muestran que algo similar se esconde en la constelación de Eridanus (New Scientist, 24 November 2007, p 34). También predijo que la intensidad global de la CMB debería ser aproximadamente del 20 por ciento menos de lo previsto por la inflación y, sorprendentemente, que todo nuestro universo fluye en una dirección particular. "Eso era tan escandaloso que nadie lo creyó", aduce Mersini-Houghton, "pero ha sido confirmado" (New Scientist, 24 January 2009, p 50)

La predicción más controvertida de su grupo consiste en la física de partículas. La mayoría de los físicos esperan que las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza, cerca de Ginebra, revelan los primeros signos de una nueva simetría de la naturaleza conocida como supersimetría. Considerada como un ingrediente esencial de la teoría de cuerdas, la supersimetría requiere que cada partícula del modelo estándar tenga un pareja pesada en espera de ser descubierta. La mayoría de los investigadores creen que las altas energías del LHC son suficientes para destapar estas bestias.

Sin embargo, Mersini-Houghton ha predicho que se necesita 10.000 veces más energía. Hasta el momento no han aparecido signos de la supersimetría (New Scientist, 19 March, p 10). Aunque algunos investigadores están intrigados, la mayoría están tomando la actitud de esperar y ver esta ambiciosa aplicación de la mecánica cuántica en el multiverso.

Los teóricos han comenzado a explorar otras predicciones comprobables, derivadas de los diversos tipos de multiversos. Por ejemplo, la de si el espacio es plano o ligeramente curvado y si están en juego otras partículas y fuerzas que las predichas por el modelo estándar o la supersimetría (New Scientist, 19 July 2008, p 36).

A tres décadas desde que el concepto nació, muchos investigadores están de acuerdo en que al menos algunos tipos de multiverso mantienen firmes sus fundamentos teóricos, el rendimiento de las predicciones de astrónomos y los físicos de partículas se pueden probar, y eso ayuda a explicar por qué nuestro universo es como es. Sin embargo, dice Bousso, los multiversos existen en la frontera de la ciencia. "Nunca se sabe nada con seguridad cuando se trabaja con los límites del conocimiento", señala. "Pero si yo no creyera que fuese la mejor opción, no perdería mi tiempo con ello". Susskind está de acuerdo, y añade: "No estamos ni siquiera cerca cuestiones finales. Seguro que saldrán sorpresas."

Referencia:

NewScientist.com, 28 de noviembre 2011 por Robert Adler [escritor independiente y autor de of Science Firsts (John Wiley & Sons, 2002) and Medical Firsts (John Wiley & Sons, 2004)]