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Origen del universo. ¿Cambio de paradigma? Del consenso a la controversia

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Origen del universo. ¿Cambio de paradigma? Del consenso a la controversia
04 marzo
13:26 2020

Inflación, el modelo de consenso

En las últimas décadas se ha logrado una base muy sólida para la teoría del Big Bang, habiéndose reunido evidencias que respaldan el llamado modelo estándar, que es la mejor explicación actualizada del origen, evolución y estado actual del Universo. Aunque hay muchas incógnitas, nuestra comprensión actual de la Física nos permite reconstruir la historia del Universo desde los primeros 10-43 segundos de existencia.

Un componente clave del modelo estándar del Big Bang es la hipótesis de la inflación, una expansión extremadamente rápida del universo temprano, introducida por Alan Guth en 1981 y modificada en sus orígenes por Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt.

La inflación incorporada al modelo del Big Bang resuelve alguno de los problemas que éste presenta, en particular la planitud y el problema del horizonte.

El problema de la planitud es consecuencia de que, según la teoría de la Relatividad, el espacio puede tener cualquier grado de curvatura y la planitud que observamos solo se justificaría por unas condiciones iniciales extremadamente ajustadas y, por tanto, improbables. El enorme estiramiento que implica la inflación justificaría la planitud que contemplamos en el Universo.

El llamado problema del horizonte consiste en que vemos que nuestro universo es homogéneo incluso entre puntos que aparentemente no pudieron estar en contacto. La inflación explicaría que con anterioridad a la misma sí lo estuvieron.

Ello ha sido razón suficiente para que esta teoría haya sido aceptada mayoritariamente en los últimos cuarenta años. Aunque como toda teoría física compleja se considera incompleta y presenta aspectos que requieren una mejor explicación.

El mecanismo de inflación ha experimentado modificaciones por parte de numerosos científicos, dando origen a diferentes propuestas para explicar el origen del Universo. Steinhardt y Vilenkin desarrollaron el modelo denominado “inflación eterna”, mecanismo mediante el cual en el instante del Big Bang se produce una sucesión indefinida de universos.

Tampoco han faltado críticos ‒como Roger Penrose‒ que califican la inflación como ciencia ficción[1].

Las observaciones del satélite Planck, objeto de controversia

La controversia toma cuerpo en 2013 con la publicación por parte de los físicos teóricos Anna Ijjas y Paul Steinhardt, de Princeton, y Abraham Loeb, de Harvard, del análisis de los datos aportados por el satélite Planck. El trabajo lleva por título Inflationary paradigm in trouble after Planck2013[2] y en él expresan que los datos experimentales desfavorecen todos los escenarios inflacionarios.

El estudio de datos y su consecuente interpretación en relación con la inflación prosigue y a lo largo del año siguiente aparecen tres nuevos trabajos académicos, cada uno réplica del precedente. Al anterior le sigue Inflationary Paradigm after Planck 2013[3], firmado por Alan Guth y David Kaiser del MIT y Yasimuri Nomura de la Universidad de California; y a éste Inflationary schism after Planck2013[4], obra del mismo equipo que el primero. El cuarto trabajo, Inflationary Cosmology after Planck 2013[5], está suscrito por Andrei Linde, de la Universidad de Stanford. La controversia se produce, pues, entre líderes de los principales centros de investigación.

La prueba que no aparece

Las fluctuaciones cuánticas en los primeros instantes del Big Bang deberían producir distorsiones en el tejido del espacio-tiempo que se traducirían en lo que se conoce como ondas gravitacionales primordiales y su huella debería estar impresa en la radiación cósmica de fondo de microondas. Su constatación daría por tanto validez al modelo inflacionario, cerrando así un capítulo importante de la cosmología.

Pero el descubrimiento de estas ondas no llega, a pesar de los esfuerzos para detectarlas. En enero de 2015 el equipo de astrónomos del proyecto BICEP2, que un año antes creyó haberlas detectado después de contrastar los datos con los proporcionados por el satélite Planck, se retractó de sus conclusiones[6]. Lo que podría haber sido una prueba de la teoría inflacionaria se viene vino abajo.

Pop goes the universe: se enciende la polémica

La polémica sube de tono cuando se traslada el debate de los ambientes académicos a medios de más amplia difusión.

Pop goes the universe[7] es el título del artículo que el trío Ijjas, Steinhard y Loeb publican en la revista Scientific American de enero de 2017. En él se detallan diferentes aspectos de la inflación que consideran difíciles de aceptar, especialmente las condiciones iniciales exigidas por la teoría: “Dos improbables criterios deben cumplirse para que comience la inflación. Primero, inmediatamente después del Big Bang, tiene que haber un parche de espacio donde las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo sean reducidas y el espacio estar bien descrito por las ecuaciones clásicas de Relatividad de Einstein; segundo, el espacio debe ser lo suficientemente plano y tener una distribución de energía lo suficientemente suave como para que la energía de inflación pueda crecer para dominar todas las demás formas de energía.

Pero lo que sin duda atiza el fuego en la polémica es la afirmación de que la cosmología inflacionaria no se puede evaluar utilizando el método científico: “el resultado esperado de la inflación puede cambiar fácilmente si variamos las condiciones iniciales, se cambia la forma de la curva de densidad de energía inflacionaria, o simplemente la consideración de que conduce a la inflación eterna y la multiplicidad… estas características hacen que la inflación sea tan flexible que ningún experimento puede refutarla.”

Réplica y contrarréplica

Este artículo revolvió las aguas entre los partidarios de la inflación, que en unos meses reunieron hasta 33 científicos de primera línea, entre ellos varios Premio Nobel, que firmaron una respuesta que se publicó en la web de la misma revista[8]. A pesar del renombre de los firmantes no respondieron de manera convincente a los argumentos contrarios y pusieron mucho énfasis en un enfoque emocional: la gran cantidad de trabajos acumulados y partidarios que reúne la teoría[9]. Y los autores del artículo una vez más contestaron por el mismo medio. En el fondo nada nuevo aportó este nuevo rifirrafe.

No todo es ciencia en el debate

Es comprensible que los teóricos de la inflación, muchos de los cuales pasaron la mayor parte de sus carreras trabajando en modelos inflacionarios, tengan gran apego a estas tesis. El lado emocional se ve incrementado sin duda por el hecho de que Steinhardt sea uno de los pioneros proponentes de la inflación y que ahora argumenta en su contra proponiendo otro modelo, un Universo cíclico.

Si atendemos al refrán castellano No hay peor cuña que la de la misma madera, hay que tener en consideración la opinión de Andrew Liddle[10] de la Universidad de Edimburgo, que pone de relieve que ambas teorías son similares, ya que comparten muchas de las herramientas matemáticas utilizadas y arrojan resultados similares en su confrontación con las observaciones del fondo cósmico de microondas.

Tal como lo ve Sabine Hossenfelder, del  Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, la convergencia ideológica alrededor de la inflación es indicativa de una cultura demasiado reacia al riesgo en la publicación, contratación y prácticas de financiación[11].

Cambio de paradigma: bounce versus bang

La idea de un universo cíclico u oscilante se remonta a tiempos inmemoriales. Pero solamente ha podido tener un soporte matemático a partir de la teoría de la Relatividad.

El modelo del Big Bang supone el comienzo del Universo partiendo de un punto, lo suficientemente pequeño como para que las fluctuaciones cuánticas en energía tengan mucha importancia. Y para llegar al Universo uniforme que conocemos se necesita la inflación, una expansión tan grande que suavizaría totalmente las distorsiones y desequilibrios entre diferentes puntos.

Los proponentes de modelos cíclicos tratan de evitar con ello la existencia de un punto como inicio del Universo, suponiendo que en cada ciclo existe un período de expansión y otro de reducción y que en el paso de un ciclo al siguiente no se alcanza un tamaño tan pequeño como para que las fluctuaciones cuánticas distorsionen la homogeneidad del Universo. Y esta es la propuesta que se nos muestra en Pop goes the universe: “parece haber dos posibilidades lógicas. O el universo tuvo un comienzo, que comúnmente llamamos “big bang”, o no hubo comienzo y lo que se ha llamado big bang fue en realidad un “gran rebote”, una transición de alguna fase cosmológica anterior a la fase de expansión actual.”

El Universo cíclico de Ijjas y Steinhardt prosigue su camino

En enero de 2018 Ana Ijjas publica un trabajo de investigación en el que describe un mecanismo por el que se produciría un rebote cósmico sin alcanzar un tamaño inferior a la longitud de Planck. Una hipotética fuente de energía detiene la contracción y la invierte suavemente para expandirse mucho antes de que el Universo se reduzca al punto donde los efectos de la gravedad cuántica son importantes[12].

Y en el verano de 2019 Ijjas y Steinhardt publican en Letters B Una nueva clase de universo cíclico[13], en el que exponen las conclusiones de su último trabajo, donde aseguran que “la cosmología resultante no solo resuelve los problemas de homogeneidad, isotropía, planitud y monopolo y genera un espectro de perturbaciones de densidad casi invariante, sino que también aborda una serie de cuestiones cosmológicas antiguas que la cosmología inflacionaria del Big Bang no afronta.

En septiembre del pasado año se conoció que la Simons Foundation había concedido financiación[14] para proseguir en esta línea.

El debate permanece

El siguiente paso en este apasionante debate debería venir de la mano de la observación experimental, de la astrofísica y la cosmología. Las ondas gravitacionales primigenias se buscan ya hace tiempo y su detección proporcionaría evidencia al modelo inflacionario. Y al contrario, como afirma Marc Kamionkowski, de la Johns Hopkins University, que no ha intervenido en la controversia, si en un plazo de 10 años no se han detectado habría que desistir del actual modelo de inflación[15].

La teoría del modelo cíclico predice que la energía oscura que está impulsando la expansión acelerada actual debería decaer, lo que puede ser detectable en futuros experimentos. Habrá que esperar.

Los modelos científicos frente al pensamiento filosófico

La filosofía representa la actitud intelectual que tiene como objetivo comprender el todo y por ello el concepto del Universo es un concepto filosófico típico[16]. Parece lógico contrastar el análisis del origen del Universo que se debate en términos científicos con el correspondiente en términos filosóficos.

La física y la cosmología nos permiten conocer las estructuras y dinamismos de la naturaleza. Cómo un sistema evoluciona de un estado a otro. Pero no pueden decirnos en última instancia por qué existe todo el sistema o por qué está dotado del orden particular que manifiesta. La física nunca puede decirnos cómo obtenemos de la nada absoluta (un estado sin espacio ni tiempo, ni materia ni energía, ni función de onda ni campo, nada físico en absoluto) algo que tenga un orden particular. No hay física de “absolutamente nada”.

En un sentido definitivo, la filosofía y la teología tampoco pueden responder a estas preguntas, al menos no de manera adecuada. Pero pueden proponer argumentos que proporcionan respuestas preliminares consistentes e inteligentes ante esta pregunta que son menos inadecuadas que las alternativas.

La idea de la creación divina, tal como se desarrolla en la tradición religiosa judeocristiana y musulmana, creatio ex nihilo, es complementaria a la explicación científica (y, por lo tanto, a cualquier cosmología y física cuántica que pueda aportar explicaciones sobre las primeras etapas de nuestro universo), porque simplemente proporciona una explicación o fundamento para la existencia y el orden básico de lo que las ciencias proponen y descubren.

La propuesta filosófica de creatio ex nihilo es la existencia de una causa autoexistente y autoexplicativa, el Creador, que es la fuente fundamental del ser y el orden, en el que participan todas las cosas existentes. Como tal, este Creador no es otra entidad o proceso en el Universo que pueda ser detectado y aislado de otras causas o entidades físicas. Es causalmente distinto de ellos porque sin Él no existiría nada[17].

El Creador, primera causa, es el fundamento o la base de causas secundarias, pero las causas secundarias también son reales en sí mismas, lo que implica que los fenómenos naturales pueden explicarse genuinamente por las leyes de la naturaleza[18].

La creación no es un evento temporal, sino una relación, una relación de dependencia última. Por lo tanto, la ‘causa’ aplicada a Dios no debe concebirse como una fuerza física o una interacción, como lo es en física, sino en términos de una relación de dependencia que siempre está presente. Por lo tanto, el Creador está siempre manteniendo, o conservando, todo lo que existe[19].

Esta comprensión filosófica de la creación, como ya afirmó Tomás de Aquino, excluye cualquier cuestión de la temporalidad del mundo. Al contrario de muchos en su propio día, y en nuestros días, concluyó que un universo eterno y creado es inteligible.

Por tanto, las teorías cosmológicas contemporáneas que emplean una hipótesis de múltiples universos o una serie infinita de big bangs no desafían la característica fundamental de lo que significa ser creado, es decir, la completa dependencia de Dios como causa de la existencia. Un Universo eterno no dependería menos de Dios que un Universo que tiene un principio de los tiempos. Ser creado de la nada no significa que un Universo creado deba ser temporalmente finito[20]. *

Manuel Ribes

Observatorio de Bioética

Universidad Católica de Valencia

 

[1] cfr. John Auping Birch, El origen y la evolución del Universo, 2016 ISBN 978-607-417-070-2

[2] Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt & Abraham Loeb, Inflationary paradigm in trouble after Planck2013 – 1 June 2013 – arXiv 1304.2785v2

[3] Alan H. Guth, David I. Kaiser & Yasunori Nomura, Inflationary Paradigm after Planck 2013 – 14 Jan 2014 – arXiv 1312.7619v2

[4] Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt & Abraham Loeb, Inflationary schism after Planck2013 – 27 Feb 2014 – arXiv 1402.6980v1

[5] Andrei Linde, Inflationary Cosmology after Planck 2013, Stanford University – 9 Mar 2014 – arXiv 1402.0526v2

[6] Ron Cowen, Gravitational waves discovery now officially dead – 30 January 2015 – Nature News & Comment (https://www.nature.com/news/gravitational-waves-discovery-now-officially-dead-1.16830)

[7] Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt & Abraham Loeb, Pop goes the universe – Scientific American, January 2017 32-39

[8] Guth, A. et al., A Cosmic Controversy – Scientific American. Posted on scientificamerican.com February 2017.

[9] Jake Hebert, Ph.D., Big Bang Blowup at Scientific American, The Institute for Creation Research – May 29, 2017

[10] Marcus Woo, Did the Universe Start with a Bounce Instead of a Bang? – NOVA December 14, 2016

[11] Jess Romeo, Can Physicists Rewrite the Origin Story of the Universe? – UNDARK – 12 Sep 2019

[12] Anna Ijjas, Space-time slicing in Horndeski theories and its implications for non-singular bouncing solutions – arXiv 1710.05990v2 27 Jan 2018

[13] Anna Ijjas & Paul J.Steinhardt, A new kind of cyclic universe – Physics Letters B 28 June 2019

[14] Staff Writers, New initiative to explore origin and future of Universe – SPACE DAILY Sep 23, 2019

[15] Anil Ananthaswamy, Search intensifies for primordial gravitational waves – Science Writer PNAS May 14, 2019

[16] Evandro Agazzi, The Universe as a Philosophical Problem – Interdisciplinary Encyclopedia of Religion and Science 1991

[17] William R. Stoeger, SJ, God, physics and the Big Bang , The Cambridge Companion to Science and Religion 2010

[18] Creation Ex Nihilo and the Sciences: An Interview with Yonghua Ge, Interface March 29, 2019

[19] William R. Stoeger, SJ, op. cit.

[20] William E. Carroll, Thomas Aquinas on Creation and Science Intercollegiate Review · Modern Age  October 11, 2016

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1 comentario

  1. Maria Gomez
    Maria Gomez marzo 06, 22:29

    Interesantísimo debate. Hay un libro que puede enriquecer, se titula: Cuestiones Cuánticas: escritos místicos de los físicos más famosos del mundo: Heisenberg, Einstein, Planck, Paulí..
    Está editado por Ken Wilberg.

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