en 1981, muchos de los principales cosmólogos del mundo se reunieron en la Academia Pontificia de Ciencias, un vestigio de los linajes acoplados de la ciencia y la teología ubicado en una elegante villa en los Jardines Del Vaticano. Stephen Hawking eligió el escenario de agosto para presentar lo que más tarde consideraría su idea más importante: una propuesta sobre cómo el universo podría haber surgido de la nada.,
antes de la charla de Hawking, todas las historias de origen cosmológico, científicas o teológicas, habían invitado a la réplica, » ¿qué sucedió antes de eso?»The Big Bang theory, for instance-pioneered 50 years before Hawking’s lecture by the Belgian physicist and Catholic priest Georges Lemaître, who later served as president of the Vatican’s academy of sciences — rewinds the expansion of the universe back to a hot, dense bundle of energy. Pero, ¿de dónde vino la energía inicial?
La Teoría del Big Bang tenía otros problemas., Los físicos entendieron que un haz de energía en expansión crecería en un desastre arrugado en lugar del enorme y suave cosmos que observan los astrónomos modernos. En 1980, un año antes de la charla de Hawking, el cosmólogo Alan Guth se dio cuenta de que los problemas del Big Bang se podían arreglar con un complemento: un impulso inicial de crecimiento exponencial conocido como inflación cósmica, que habría hecho que el universo fuera enorme, suave y plano antes de que la gravedad tuviera la oportunidad de destruirlo. La inflación se convirtió rápidamente en la teoría principal de nuestros orígenes cósmicos., Sin embargo, la cuestión de las condiciones iniciales se mantuvo: ¿cuál fue la fuente del minúsculo parche que supuestamente se infló en nuestro cosmos y de la energía potencial que lo infló?
Hawking, en su brillantez, vio una manera de terminar el interminable tientas hacia atrás en el tiempo: propuso que no hay fin, o principio, en absoluto., Según el registro de la Conferencia del Vaticano, el físico de Cambridge, entonces de 39 años y todavía capaz de hablar con su propia voz, dijo a la multitud: «debería haber algo muy especial acerca de las condiciones de frontera del universo, y ¿qué puede ser más especial que la condición de que no hay frontera?»
la «propuesta sin límites», que Hawking y su frecuente colaborador, James Hartle, formularon plenamente en un artículo de 1983, imagina que el cosmos tiene la forma de un volante., Al igual que un volante tiene un diámetro de cero en su punto más bajo y se ensancha gradualmente en el camino hacia arriba, el universo, de acuerdo con la propuesta sin límites, se expandió suavemente desde un punto de tamaño cero. Hartle y Hawking derivaron una fórmula que describe todo el volante – la llamada «función de onda del universo» que abarca todo el pasado, presente y futuro a la vez — haciendo discutible toda contemplación de semillas de creación, un creador o cualquier transición desde un tiempo anterior.,
«preguntar qué ocurrió antes del Big Bang no tiene sentido, de acuerdo con la propuesta sin límites, porque no hay noción de tiempo disponible para referirse», dijo Hawking en otra conferencia en la Academia Pontificia en 2016, un año y medio antes de su muerte. «Sería como Preguntar qué se encuentra al sur del Polo Sur.»
La propuesta de Hartle y Hawking reconceptualizó radicalmente el tiempo., Cada momento en el universo se convierte en una sección transversal del volante; mientras percibimos que el universo se expande y evoluciona de un momento a otro, el tiempo realmente consiste en correlaciones entre el tamaño del universo en cada sección transversal y otras propiedades, particularmente su entropía o desorden. La entropía aumenta desde el corcho hasta las plumas, apuntando una flecha emergente del tiempo. Sin embargo, cerca del fondo redondeado del volante, las correlaciones son menos confiables; el tiempo deja de existir y es reemplazado por espacio puro., Como Hartle, ahora de 79 años y profesor de la Universidad de California, Santa Bárbara, lo explicó por teléfono recientemente, «no teníamos aves en el universo muy temprano; tenemos aves más tarde. ‘t no tuvimos tiempo en el universo temprano, pero tenemos tiempo más adelante.»
la propuesta sin límites ha fascinado e inspirado a los físicos durante casi cuatro décadas. «Es una idea increíblemente hermosa y provocativa», dijo Neil Turok, cosmólogo del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo, Canadá, y ex colaborador de Hawking., La propuesta representaba una primera conjetura sobre la descripción cuántica del cosmos – la función de onda del universo. Pronto surgió todo un campo, la cosmología cuántica, a medida que los investigadores ideaban ideas alternativas sobre cómo el universo podría haber venido de la nada, analizaban las diversas predicciones de las teorías y las formas de probarlas, e interpretaban su significado filosófico. La función de onda sin límite, según Hartle, «fue de alguna manera la propuesta más simple posible para eso.,»
pero hace dos años, un artículo de Turok, Job Feldbrugge del Perimeter Institute, y Jean-Luc Lehners del Max Planck Institute for Gravitational Physics en Alemania cuestionó la propuesta de Hartle-Hawking. La propuesta es, por supuesto, solo viable si un universo que se curva fuera de un punto adimensional en la forma en que Hartle y Hawking imaginaron naturalmente crece en un universo como el nuestro. Hawking y Hartle argumentaron que, de hecho, los universos sin límites tenderán a ser enormes, increíblemente suaves, impresionantemente planos y en expansión, al igual que el cosmos real., «El problema con el enfoque de Stephen y Jim es que era ambiguo», dijo Turok — » profundamente Ambiguo.»
en su artículo de 2017, publicado en Physical Review Letters, Turok y sus coautores abordaron la propuesta de no-boundary de Hartle y Hawking con nuevas técnicas matemáticas que, en su opinión, hacen sus predicciones mucho más concretas que antes. «Descubrimos que simplemente fracasó miserablemente», dijo Turok. «Simplemente no era posible mecánicamente cuántica que un Universo comenzara de la manera que ellos imaginaban.,»El trío comprobó sus matemáticas y cuestionó sus suposiciones subyacentes antes de hacerse público, pero «desafortunadamente», dijo Turok, «parecía inevitable que la propuesta de Hartle-Hawking fuera un desastre.»
el papel encendió una controversia. Otros expertos montaron una vigorosa defensa de la idea de no-frontera y una refutación del razonamiento de Turok y sus colegas. «No estamos de acuerdo con sus argumentos técnicos», dijo Thomas Hertog, un físico de la Universidad Católica de Lovaina en Bélgica que colaboró estrechamente con Hawking durante los últimos 20 años de su vida., «Pero más fundamentalmente, también estamos en desacuerdo con su definición, su marco, su elección de principios. Y esa es la discusión más interesante.»
después de dos años de entrenamiento, los grupos han rastreado su desacuerdo técnico a diferentes creencias sobre cómo funciona la naturaleza. El acalorado — pero amistoso-debate ha ayudado a reafirmar la idea que más le hizo cosquillas a la fantasía de Hawking., Incluso los críticos de su fórmula específica y la de Hartle, incluidos Turok y Lehners, están elaborando modelos cuántico-cosmológicos que intentan evitar las supuestas trampas del original mientras mantienen su encanto ilimitado.
Garden of Cosmic Delights
Hartle y Hawking se vieron mucho a partir de la década de 1970, por lo general cuando se conocieron en Cambridge durante largos períodos de colaboración. Las investigaciones teóricas del dúo sobre los agujeros negros y las misteriosas singularidades en sus centros los habían convertido en la cuestión de nuestro origen cósmico.,
en 1915, Albert Einstein descubrió que las concentraciones de materia o energía deforman el tejido del espacio-tiempo, causando gravedad. En la década de 1960, Hawking y el físico de la Universidad de Oxford Roger Penrose demostraron que cuando el espacio-tiempo se dobla lo suficientemente abruptamente, como dentro de un agujero negro o quizás durante el Big Bang, inevitablemente colapsa, curvándose infinitamente abruptamente hacia una singularidad, donde las ecuaciones de Einstein se rompen y se necesita una nueva teoría cuántica de la gravedad. Los «teoremas de singularidad» de Penrose-Hawking significaron que no había manera de que el espacio-tiempo comenzara sin problemas, sin dramatizar en un punto.,
Hawking y Hartle fueron así llevados a reflexionar sobre la posibilidad de que el Universo comenzara como espacio puro, en lugar de espacio-tiempo dinámico. Y esto los llevó a la geometría del volante. Definieron la función de onda sin límite describiendo tal Universo usando un enfoque inventado por el héroe de Hawking, el físico Richard Feynman. En la década de 1940, Feynman ideó un esquema para calcular los resultados más probables de los eventos de la mecánica cuántica., Para predecir, digamos, los resultados más probables de una colisión de partículas, Feynman descubrió que se podían resumir todas las rutas posibles que las partículas en colisión podrían tomar, ponderando las rutas directas más que las complicadas en la suma. El cálculo de esta» integral de trayectoria » le da la función de onda: una distribución de probabilidad que indica los diferentes estados posibles de las partículas después de la colisión.
Asimismo, Hartle y Hawking expresaron la función de onda del universo-que describe sus estados probables-como la suma de todas las formas posibles en que podría haberse expandido suavemente desde un punto., La esperanza era que la suma de todas las posibles «historias de expansión», universos de fondo liso de todas las formas y tamaños diferentes, produjeran una función de onda que le diera una alta probabilidad a un universo enorme, liso y plano como el nuestro. Si la suma ponderada de todas las historias de expansión posibles produce algún otro tipo de Universo como el resultado más probable, la propuesta sin límites falla.
el problema es que la integral de ruta sobre todos los historiales de expansión posibles es demasiado complicada para calcularla exactamente. Innumerables formas y tamaños diferentes de universos son posibles, y cada uno puede ser un asunto desordenado., «Murray Gell-Mann solía preguntarme», dijo Hartle, refiriéndose al fallecido físico ganador del Premio Nobel, » si conoces la función de onda del universo, ¿por qué no eres rico?»Por supuesto, para resolver realmente la función de onda utilizando el método de Feynman, Hartle y Hawking tuvieron que simplificar drásticamente la situación, ignorando incluso las partículas específicas que pueblan nuestro mundo (lo que significaba que su fórmula no estaba cerca de ser capaz de predecir el mercado de valores)., Consideraban el camino integral sobre todos los universos de juguete posibles en el «minisuperespacio», definido como el conjunto de todos los universos con un solo campo de energía que corría a través de ellos: la energía que alimentaba la inflación cósmica. (En la imagen del volante de Hartle y Hawking, ese período inicial de vuelo en globo corresponde al rápido aumento del diámetro cerca del fondo del corcho.)
incluso el cálculo del minisuperespacio es difícil de resolver exactamente, pero los físicos saben que hay dos posibles historias de expansión que potencialmente dominan el cálculo., Estas formas del universo rival anclan los dos lados del debate actual.
las soluciones rivales son las dos historias de expansión» clásicas » que un universo puede tener. Después de una ráfaga inicial de inflación cósmica desde el tamaño cero, estos universos se expanden constantemente de acuerdo con la teoría de la gravedad y el espacio-tiempo de Einstein. Historias de expansión más extrañas, como universos en forma de fútbol o como orugas, en su mayoría se cancelan en el cálculo cuántico.
Una de las dos soluciones clásicas se asemeja a nuestro universo., A gran escala, es suave y salpicado aleatoriamente de energía, debido a las fluctuaciones cuánticas durante la inflación. Como en el universo real, las diferencias de densidad entre regiones forman una curva de campana alrededor de cero. Si esta posible solución de hecho domina la función de onda para el minisuperespacio, se hace plausible imaginar que una versión mucho más detallada y exacta de la función de onda sin límite podría servir como un modelo cosmológico viable del universo real.
la otra forma potencialmente dominante del universo no se parece en nada a la realidad., A medida que se ensancha, la energía que lo infunde varía cada vez más extremadamente, creando enormes diferencias de densidad de un lugar a otro que la gravedad empeora constantemente. Las variaciones de densidad forman una curva de campana invertida, donde las diferencias entre regiones se acercan no a cero, sino al infinito. Si este es el término dominante en la función de onda sin límite para el minisuperespacio, entonces la propuesta de Hartle-Hawking parecería estar equivocada.
las dos historias de expansión dominantes presentan una opción en cómo se debe hacer la integral de ruta., Si las historias dominantes son dos ubicaciones en un mapa, megaciudades en el Reino de todos los universos mecánicos cuánticos posibles, la pregunta es qué camino debemos tomar a través del terreno. ¿Qué historia de expansión dominante, y solo puede haber una, debería recoger nuestro «contorno de integración»? Los investigadores se han bifurcado por diferentes caminos.
en su artículo de 2017, Turok, Feldbrugge y Lehners tomaron un camino a través del jardín de posibles historias de expansión que llevaron a la segunda solución dominante., En su opinión, el único contorno sensible es uno que escanea a través de valores reales (en oposición a valores imaginarios, que involucran las raíces cuadradas de números negativos) para una variable llamada «lapso».»Lapse es esencialmente la altura de cada posible universo de Volante – la distancia que se necesita para alcanzar un cierto diámetro. Al carecer de un elemento causal, el lapso no es nuestra noción habitual del tiempo. Sin embargo, Turok y sus colegas argumentan en parte sobre la base de la causalidad que solo los valores reales de lapso tienen sentido físico., Y sumando universos con valores reales de lapso conduce a la solución tremendamente fluctuante, físicamente absurda.
«La gente tiene una gran fe en la intuición de Stephen», dijo Turok por teléfono. «Por una buena razón — quiero decir, él probablemente tenía la mejor intuición de nadie en estos temas. Pero no siempre tenía razón.»
universos imaginarios
Jonathan Halliwell, físico del Imperial College de Londres, ha estudiado la propuesta de no-límite Desde que era estudiante de Hawking en la década de 1980. él y Hartle analizaron la cuestión del contorno de la integración en 1990., Desde su punto de vista, al igual que el de Hertog, y aparentemente el de Hawking, el contorno no es fundamental, sino más bien una herramienta matemática que puede ser puesta en mayor ventaja. Es similar a cómo la trayectoria de un planeta alrededor del sol se puede expresar matemáticamente como una serie de ángulos, como una serie de veces, o en términos de cualquiera de varios otros parámetros convenientes. «Se puede hacer esa parametrización de muchas maneras diferentes, pero ninguna de ellas es más física que otra», dijo Halliwell.,
él y sus colegas argumentan que, en el caso del minisuperespacio, solo los contornos que recogen la buena historia de expansión tienen sentido. La mecánica cuántica requiere probabilidades para sumar a 1, o ser «normalizable», pero el universo tremendamente fluctuante en el que aterrizó el equipo de Turok no lo es. Esa solución no tiene sentido, está plagada de infinitos y no está permitida por las leyes cuánticas — signos obvios, de acuerdo con los defensores de no-boundary, para caminar hacia el otro lado.
es cierto que los contornos que pasan por la buena solución resumen posibles universos con valores imaginarios para sus variables de lapso., Pero aparte de Turok y compañía, pocas personas piensan que eso es un problema. Los números imaginarios impregnan la mecánica cuántica. Para el equipo Hartle-Hawking, los críticos invocan una falsa noción de causalidad al exigir que el lapso sea real. «Ese es un principio que no está escrito en las estrellas, y con el que estamos profundamente en desacuerdo», dijo Hertog.
según Hertog, Hawking rara vez mencionó la formulación integral de la ruta de la función de onda sin límite en sus últimos años, en parte debido a la ambigüedad en torno a la elección del contorno., Consideraba que la historia de expansión normalizable, que la integral de la trayectoria simplemente había ayudado a descubrir, era la solución a una ecuación más fundamental sobre el universo planteada en la década de 1960 por los físicos John Wheeler y Bryce DeWitt. Wheeler y DeWitt — después de reflexionar sobre el tema durante una escala en Raleigh-Durham International — argumentaron que la función de onda del universo, sea lo que sea, no puede depender del tiempo, ya que no hay un reloj externo para medirla., Y así la cantidad de energía en el universo, cuando se suman las contribuciones positivas y negativas de la materia y la gravedad, debe permanecer en cero para siempre. La función de onda sin límite satisface la ecuación de Wheeler-DeWitt para el minisuperespacio.
en los últimos años de su vida, para comprender mejor la función de onda en general, Hawking y sus colaboradores comenzaron a aplicar la holografía, un nuevo enfoque exitoso que trata el espacio — tiempo como un holograma., Hawking buscó una descripción holográfica de un universo en forma de volante, en el que la geometría de todo el pasado se proyectaría fuera del presente.
ese esfuerzo continúa en ausencia de Hawking. Pero Turok ve este cambio de énfasis como un cambio en las reglas. Al alejarse de la formulación integral del camino, dice, los defensores de la idea de no-límite la han hecho mal definida. Lo que están estudiando ya no es Hartle-Hawking, en su opinión, aunque Hartle no está de acuerdo.,
durante el último año, Turok y sus colegas del Perimeter Institute Latham Boyle y Kieran Finn han estado desarrollando un nuevo modelo cosmológico que tiene mucho en común con la propuesta de no-boundary. Pero en lugar de un volante, imagina dos, dispuestos corcho a corcho en una especie de figura de reloj de arena con el tiempo fluyendo en ambas direcciones., Si bien el modelo aún no está lo suficientemente desarrollado como para hacer predicciones, su encanto radica en la forma en que sus lóbulos realizan la simetría CPT, un espejo aparentemente fundamental en la naturaleza que refleja simultáneamente materia y antimateria, izquierda y derecha, y hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. Una desventaja es que los lóbulos de la imagen de espejo del universo se encuentran en una singularidad, una pizca en el espacio-tiempo que requiere la teoría cuántica desconocida de la gravedad para comprender. Boyle, Finn y Turok apuñalan la singularidad, pero tal intento es inherentemente especulativo.,
también ha habido un resurgimiento del interés en la «propuesta de túnel», una forma alternativa de que el universo podría haber surgido de la nada, concebida en los años 80 de forma independiente por los cosmólogos ruso-estadounidenses Alexander Vilenkin y Andrei Linde. La propuesta, que difiere de la función de onda sin límite principalmente por medio de un signo menos, proyecta el nacimiento del universo como un evento de «túnel» de la mecánica cuántica, similar a cuando una partícula aparece más allá de una barrera en un experimento de la mecánica cuántica.,
abundan las preguntas sobre cómo las diversas propuestas se cruzan con el razonamiento antrópico y la infame idea del Multiverso. La función de onda sin límite, por ejemplo, favorece los universos vacíos, mientras que la materia y la energía significativas son necesarias para alimentar la inmensidad y la complejidad. Hawking argumentó que la vasta extensión de universos posibles permitidos por la función de onda debe realizarse en algún multiverso más grande, dentro del cual solo universos complejos como el nuestro tendrán habitantes capaces de hacer observaciones., (El debate reciente se refiere a si estos universos complejos y habitables serán suaves o tremendamente fluctuantes. Una ventaja de la propuesta de tunelización es que favorece a los universos llenos de materia y energía como el nuestro sin recurrir al razonamiento antrópico, aunque los universos que hacen túnel en la existencia pueden tener otros problemas.
No importa cómo vayan las cosas, tal vez nos quedemos con alguna esencia de la imagen que Hawking pintó por primera vez en la Academia Pontificia de Ciencias hace 38 años., O tal vez, en lugar de un No-principio similar al Polo Sur, el universo emergió de una singularidad después de todo, exigiendo un tipo diferente de función de onda por completo. De cualquier manera, la persecución continuará. «Si estamos hablando de una teoría de la mecánica cuántica, ¿qué más hay que encontrar aparte de la función de onda?», preguntó Juan Maldacena, un eminente físico teórico del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, que en su mayoría se ha mantenido al margen de la reciente refriega., La cuestión de la función de onda del universo «es el tipo correcto de pregunta», dijo Maldacena, quien, por cierto, es miembro de la Academia Pontificia. «Ya sea que estemos encontrando la función de onda correcta o cómo deberíamos pensar en la función de onda, no está tan claro.»
corrección: este artículo fue revisado el 6 de junio de 2019, para incluir a Latham Boyle y Kieran Finn como co-desarrolladores de la idea del universo CPT-symmetric.
Este artículo fue reimpreso en Wired.com.