EN LA ERA DE PLANCK
Los científicos, para lograr conocer la estructura del Universo a su escala más grande, deben retroceder en el tiempo, centrando sus teorías en el momento en que todo comenzó. Para ello se han formulado distintas teorías unificadoras de las las cuat cuatro ro fuer fuerza zas s de la natu natura ralez leza, a, con con las las cual cuales es se han han mode modela lado do acontecimiento y condiciones en el Universo primitivo a lo largo del camino hasta el principio. Pero como se supone que debió haber habido un «antes», aparece una barrera que impide ir más allá de una frontera que se halla fijada a los los 10-43 segu segund ndos os desp despué ués s del del Big Big Bang Bang,, un inst instan ante te cono conoci cido do como como «momento de Planck», en homenaje al físico alemán Max Planck. Esta barrera existe debido a que antes del momento de Planck, durante el período llamado la «era de Planck o cuántica», se supone que las cuatro fuerza fundamentales conocidas de la naturaleza eran indistinguibles o se hallaban unificadas a todo efecto. Aunque los físicos han diseñado teorías cuánticas que unen tres de las fuerzas, una por una, a través de eras que se remontan al momento de Planck, hasta ahora les ha sido imposible armonizar las leyes de la teoría cuántica con la gravedad de la relatividad general de Einstein, en un sólo modelo teórico ampliamente convincente y con posibilidades claras de ser cont contra ras stado tado en exp experim erime entos ntos de labo laborrator atorio io y, mucho menos enos,, con con observaciones. Llos trabajos que se han realizado sobre poder construir una teoría cuántica de la gravedad nos llevan a un número sorprendente de implicaciones. Por un lado, sólo se ha podido conceptuar a la gravedad cuántica, siempre y cuando el
universo tenga más de cuatro dimensiones. Además, se llega a considerar que en la era de Planck, tanto el universo como la gravedad pudieron ser una sola cosa compacta compacta estructura estructurada da por objetos objetos cuánticos cuánticos infinitame infinitamente nte diminutos, diminutos, como las supercuerdas. A esta escala, el mismísimo espaciotiempo estaría sometido a imprescindibles fluctuaciones muy semejantes a las que causan las part partíc ícul ulas as al nace nacerr y desa desapa pare rece cerr de la exis existe tenc ncia ia en el espa espaci ciot otie iemp mpo o ordinario. Esta noción ha conducido a los teóricos a describir el universo de la era cuántica como una especie de extremadamente densa y agitada espuma que que pudo pudo habe haberr cont conten enid ido o las las vibr vibran ante tes s cuer cuerda das s que que prop propug ugna nan n los los cosmólogos.
Los físicos especulan que el cosmos ha crecido desde una «nada» primigenia que al nacer comenzó el principio del tiempo y que, en ese parto, contenía toda la materia y toda la energía (arriba, izquierda). Según los primeros trabajos sobre la teoría cuántica de la gravedad, el propio espaciotiempo varió en su topografía, dependiendo de las dimensiones del universo primitivo. Cuando el universo era del tamaño de un núcleo atómico (dibujo de arriba, a la derecha), las condiciones eran relativamente lisas y uniformes; a los 10 -30 cm (centro), es evidente una cierta granulidad; y a la llamada longitud de Planck, todavía unas 1.000 veces más pequeño (abajo), el espacio tiempo fluctúa violentamente. Los físicos han intentado con denuedo elaborar una teoría completa de la gravedad que incluya la mecánica cuántica. Los cálculos de la mayoría de las teorías propuesta de la «gravedad cuántica» arrojan numerosos infinitos. Los Los físi físico cos s no está están n segu seguro ros s si el prob proble lema ma es técn técnic ico o o conc concep eptu tual al.. No obstante, incluso prescindiendo de una teoría completa de gravedad cuántica, se puede deducir que los efectos de la teoría cuántica habrían sido cruciales durante los primeros 10-43 segundos del inicio del universo, cuando éste tenía una densidad de 10 93 gramos por centímetro cúbico y mayor. (El plomo sólido tiene una densidad de aproximadamente diez gramos por centímetro cúbico.)
Este período, que es el que corresponde a la era de Planck, y a su estudio se le llama cosmología cuántica. Como el universo en su totalidad habría estado sujeto a grandes incertidumbres y fluctuaciones durante la era de Planck o era cuántica, con la materia y la energía apareciendo y desapareciendo de un vacío en grandes cantidades, el concepto de un principio del universo podría no tener tener un signif significa icado do bien bien defini definido. do. En todo todo caso, caso, la densid densidad ad del univer universo so durante este período es de tal magnitud que escapa a nuestra comprensión. Para propósitos prácticos, la era cuántica podría considerarse el estado inicial, o principio, del universo. En consecuencia, los procesos cuánticos ocurridos dura durant nte e este este perí períod odo, o, cual cualqu quie iera ra sea sea su natu natura rale leza za,, dete determ rmin inar aron on las las condiciones iniciales del universo.
El universo estaba a 3.000 K hace doce mil quinientos millones de años; a 10 mil millones de grados (1010 K) un millón de años antes, y, tal vez, a 1028 K un par de millones más temprano. Pero, y antes de ese tiempo ¿qué pasaba? Los fósiles no faltan, pero no sabemos interpretarlos. Mientras más elevada se va haci hacien endo do la tem tempera peratu tura ra del del univ univer erso so prim primig igen enio io,, la situ situac ació ión n se va comp complic lican ando do para para los los cien cientí tífi fico cos. s. En la barre barrera ra fatí fatídic dica a de los los 1033 K -la temperatura de Planck-, nada funciona. Nuestros actuales conocimientos de la física dejan de ser útiles. El comportamiento de la materia en estas condiciones tan tan extre extrema mas s deja deja de esta estarr a nues nuestr tro o alca alcanc nce. e. Peor Peor aún, aún, hast hasta a nues nuestr tras as nociones tradicionales pierden su valor. Es una barrera infranqueable para el saber de la física contemporánea. Por eso, lo que se suele decir cómo era el universo primitivo en esos tempranos períodos, no deja de tener visos de especulación. Los progresos que se han obtenido en física teórica se manifiestan a menudo en términos términos de síntesis de campos campos diferentes. diferentes. En física se cuenta con dos grandes teorías de éxito: la cuántica y la teoría de la relatividad general. Cada una de ellas ha demostrado ser muy eficiente en aplicaciones dentro de los límites de su ámbito propio. La teoría cuántica ha otorgado resultados más que satisfactorios en el estudio de las radiaciones, de los átomos y de sus interacciones. La ciencia contemporánea se presenta como un conjunto de teor teoría ías s de campo ampos, s, apli aplic cable ables s a tres tres de las gran grand des inte intera racc ccio ion nes: es:
electromagnética, nuclear fuerte, nuclear débil. Su poder predictivo es bastante elocuente, pero no universal.
Esta teoría es, por ahora, incapaz de describir el comportamiento de partículas inmersas en un campo de gravedad intensa. Ahora, no sabemos si esos fallos se deben a un problema conceptual de fondo o falta de capacidad matemática para para enco encont ntra rarr las las ecua ecuaci cion ones es prec precis isas as que que perm permita itan n la esti estima maci ción ón del del comportamiento de las partículas en esos ambientes. La teoría de la relatividad general, a la inversa, describe con gran precisión el efecto de los campos de gravedad sobre el comportamiento de la materia, pero no sabe hacerse cargo de las adquisiciones de la mecánica cuántica. Ignora todo acerca de los campos y de la dualidad onda-partícula, y en ella el «vacío» es verdaderamente vacío, mientras que para la física cuántica hasta la «nada» es «algo». Claro está, que esas limitaciones representativas de ambas teorías no suelen tener tener mucha mucha import importanc ancia ia prácti práctica. ca. Sin embar embargo, go, en alguno algunos s casos, casos, esas esas limitantes se hacen sentir con agresividad frustrando a los físicos. Los primeros instantes del universo son el ejemplo más elocuente. El científico investigador, al requerir estudiar la temperatura de Planck, se encuentra con un cuadro de densidades y gravedades extraordinariamente elevadas. ¿Cómo se comporta la materia en esas condiciones? Ambas teorías, no dicen mucho al respecto, y entran en serias contradicciones e incompatibilidades. Todo se desenvuelve alrededor de la noción de localización. La teoría cuántica limita nuestra aptitud para asignar a los objetos una posición exacta. A cada
partícula le impone un volumen mínimo de localización. La localización de un electrón, por ejemplo, sólo puede definirse alrededor de trescientos fermis (más o menos una centésima del radio del átomo de hidrógeno). Ahora, si el objeto en cuestión es de una mayor contextura másica, más débiles son la dimensión de este volumen mínimo. Se puede localizar un protón en una esfera de un décimo de fermi, pero no mejor que eso. Para una pelota de ping-pong, la longitud correspondiente sería de unos 10-15 cm, o sea, bastante insignificante. La física cuántica, a toda partícula de masa m le asigna una longitud de onda Compton: lc = h / 2p mc Por su parte, la relatividad general igualmente se focaliza en la problemática del lugar que ocupan los objetos. La gravedad que ejerce un cuerpo sobre sí mismo tiende a confinarlo en un espacio restringido. El caso límite es aquel del agujero negro, que posee un campo de gravedad tan intenso que, salvo la radiación térmica, nada, ni siquiera la luz, puede escapársele. La masa que lo constituye está, según esta teoría, irremediablemente confinada en su interior.
En lo que que hemo hemos s inme inmedi diat atam amen ente te desc descrit rito o es dond donde e se visu visual aliz izan an las las diferencias entre esos dos campos del conocimiento. Uno alocaliza, el otro localiza. En general, esta diferencia no presenta problemas: la física cuántica se interesa sobre todo en los microobjetos y la relatividad en los macroobjetos. Cada cual en su terreno. Sin Sin emba embarg rgo, o, amba ambas s teor teoría ías s tien tienen en una una fron fronte tera ra comú común n para para entr entrar ar en dificultades. Se encuentran objetos teóricos de masa intermedia entre aquella de los microobjetos como los átomos y aquella de los macroobjetos como los astros: las partículas de Planck. Su masa es más o menos la de un grano de sal: 20 microgramos. Equivale a una energía de 1028 eV o, más aún, a una temperatura de 1033 K. Es la «temperatura de Planck». Ahora bien, si queremos estimar cuál debería ser el radio en que se debe confinar la masa de sal para que se vuelva un agujero negro, con la relatividad general la respuesta que se logra encontrar es de que sería de 10 -33 cm, o sea ¡una cien mil millonésim millonésima a de mil millonésim millonésima a de la dimensión dimensión del protón! Esta dimensión lleva el nombre de «radio de Planck». La densidad sería de ¡10 94 g/cm3! De un objeto así, comprimido en un radio tan diminuto, la relatividad general sólo nos señala que tampoco nada puede escapar de ahí. No es mucha la información. Si recurrimos a la física cuántica para estimar cuál sería el radio mínimo de locali localizac zación ión para para un objeto objeto semeja semejante nte al granito granito de sal, sal, la respu respuest esta a que -33 encontramos es de un radio de 10 cm. Según esta teoría, en una hipotética hipotética experiencia se lo encontrará frecuentemente fuera de ese volumen. ¡Ambos discursos no son coincidentes! Se trata de discrepancias que necesitan ser conciliadas para poder progresar en el conocimiento del universo. ¿Se trata de entrar en procesos de revisión de ambas teoría, o será necesaria una absolutamente nueva? Interrogantes que
solamente el devenir de la evolución de la física teórica podrá responder en el futuro.
Javier de Lucas
