DOPPELGÄNGERS MALVADOS, LÍNEAS DE TIEMPO ALTERNATIVAS E INFINITAS POSIBILIDADES: LA FÍSICA DEL MULTIVERSO EXPLICADA

ROBERT LEA

La palabra ‘universo’ una vez describió todo lo que existe. Pero a medida que nuestros horizontes se han expandido, muchos científicos han comenzado a considerar qué hay más allá de nuestro propio cosmos y si puede haber muchos otros universos acechando tentadoramente fuera de la vista.

Si has pisado un cine este año, te habrás dado cuenta de que Hollywood se ha enamorado del multiverso. Desde Marvel hasta DC y Disney, los universos alternativos, las realidades y las líneas de tiempo se están escribiendo en guiones para sorprender al público y hacer la vida un poco más fácil cuando las celebridades de la lista A se cansan de tirar del látex.

No son solo los grandes estudios los que están en esto. La película independiente sublimemente alegre Everything Everywhere All At Once (Todo a la vez en todas partes) pregunta y responde: «¿Por qué, si todo está sucediendo en todas partes y al mismo tiempo, algo de eso debería importar?»

Asimismo, Rick And Morty, Dark y Man In The High Castle (El hombre en el Castillo) utilizan la idea de universos alternativos como una especie de espejo de la casa de la risa para reflexionar (a veces) sobre preguntas serias sobre nuestro propio Universo. Y es justo señalar que la idea no es nada nueva. ¿Quién podría olvidar al malvado doppelgänger de Spock con su apropiadamente siniestra barba de chivo? Claramente, la idea del multiverso ha impregnado el tejido de nuestra cultura. Pero, ¿qué piensan los científicos sobre los multiversos? ¿Existe la ciencia para respaldarlos?

Muchos físicos creen que podrían existir multiversos, que van desde universos que acechan detrás de los horizontes de sucesos de los agujeros negros hasta universos en crecimiento que se expanden como burbujas de espuma de jabón.

“Un multiverso es algo que realmente no es tan extraño si lo piensas históricamente, desde el punto de vista de la ciencia”, dice el profesor Ulf Danielsson, físico teórico de la Universidad de Uppsala, Suecia. “Nuestros horizontes se han estado expandiendo continuamente. En algún momento pensamos que la Tierra era el único planeta y que este era el mundo entero. Ahora sabemos que hay un Universo lleno de otros planetas. También es bastante natural especular que hay otro paso y que nuestro Universo no es el único”.

Entonces, ¿cuáles son algunas de las principales teorías del multiverso y cuál de ellas podría albergar a un malvado, posiblemente bigotudo, usted?

El multiverso cosmológico inflado

Esta es una teoría que ha surgido de la cosmología, particularmente del descubrimiento de que nuestro propio Universo se está expandiendo. Este concepto de multiverso pregunta si la rápida inflación inicial que experimentó nuestro Universo hace unos 13.800 millones de años podría estar ocurriendo en regiones distantes del espacio-tiempo desconectadas de nuestro Universo.

“La idea básica es que nuestro Universo es un parche particular del espacio-tiempo que está evolucionando como una entidad bien definida”, explica el profesor Fred Adams, astrofísico de la Universidad de Michigan. “Esta región es homogénea, isotrópica [igual en todas las direcciones] y se expande de manera bien definida. Si sigues la evolución hacia atrás en el tiempo, encuentras una edad para el Universo de unos 13.800 millones de años a partir de esta expansión inicial”.

Adams, quien escribió el libro Our Living Multiverse (Nuestro multiverso viviente) y fue autor de un artículo de Physics Report sobre el tema, también cree que otras regiones del multiverso podrían estar experimentando sus propios Big Bangs y, por lo tanto, sus propias expansiones. Esto significa que no pueden afectar nuestro Universo. “Por lo tanto, son otros universos y la colección de todos esos universos es el multiverso”, dice Adams.

Esta idea del multiverso se popularizó en la ficción porque es un excelente recurso para contar historias. Se hizo popular en la cosmología porque podía abordar misterios persistentes, sin dejar de encajar con la física existente.

“Una de las razones por las que el concepto de multiverso se hizo popular es que puede surgir naturalmente de la teoría de la inflación”, explica Heling Deng, investigador postdoctoral en cosmología, física de partículas y astrofísica en la Universidad de Arizona.

«Los [físicos] Andrei Linde y Alex Vilenkin demostraron, en trabajos separados, que si ocurriera inflación, podría crear infinitas regiones desconectadas».

Aunque la inflación terminó hace 13.800 millones de años en el Universo en el que vivimos, Deng dice que los efectos cuánticos siempre pueden traer de vuelta la inflación en otra región del espacio-tiempo. Esto da como resultado episodios de inflación interminables, denominados «inflación eterna», y la posibilidad de un número infinito de «universos diferentes».

Etapas en la historia del Universo después del Big Bang © Science Photo Library

El físico teórico ruso-estadounidense Andrei Linde presenta una solución para la organización de este multiverso. Para él, los universos son «burbujas» que se expanden en algo parecido a un lienzo cósmico, alejándose unas de otras en episodios de inflación eterna y caótica.

En qué se diferenciarían estos universos dentro de un multiverso también es actualmente un tema de especulación, pero Adams sugiere que no hay razón para creer que las leyes de la física serían las mismas en estas regiones separadas.

“Una razón por la que estos otros universos son de interés es que podrían tener otras versiones de las leyes de la física”, dice. Esa variación podría aplicarse a toda una serie de parámetros físicos, como la gravedad y el ritmo de expansión del universo.

Eso significa que algunos de estos universos podrían tener leyes de la física que no son aptas para la formación de estructuras a gran escala como galaxias o estrellas. Es posible que ni siquiera tengan las mismas partículas fundamentales.

En consecuencia, estos universos no son variaciones de nuestro Universo y, por lo tanto, no podrían albergar vida alguna, por no hablar de alguna versión de ti o de mí.

El multiverso de la teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas es una sugerencia presentada por los físicos para conectar la mecánica cuántica y la relatividad general, que son las mejores descripciones que tenemos de lo infinitesimalmente pequeño y lo incomprensiblemente grande. La idea subyacente de la teoría de cuerdas es que las partículas fundamentales como los quarks y los electrones son en realidad un solo punto en cuerdas unidimensionales, que vibran a diferentes frecuencias.

Este ‘paisaje de cuerdas’ proporciona un escenario popular para el multiverso, gracias a uno de los elementos clave de los que depende la teoría de cuerdas. Para ser matemáticamente sólida, la teoría de cuerdas necesita «dimensiones adicionales» para existir.

Estas no son dimensiones paralelas como las que vemos en la ciencia ficción. En cambio, los teóricos de cuerdas creen que estas dimensiones adicionales están enroscadas dentro de las tres dimensiones tradicionales del espacio. Permanecen invisibles para nosotros, ya que evolucionamos solo para ver en tres dimensiones. Estas dimensiones adicionales podrían ofrecer una «vía de entrada» al multiverso de la teoría de cuerdas.

La teoría de cuerdas intenta explicar todas las partículas fundamentales de la naturaleza modelándolas como pequeñas cuerdas © Science Photo Library

“Necesitas tener estas dimensiones adicionales, y la cantidad de dimensiones necesarias en total es 10 u 11”, dice Danielsson. «También podría ser que necesites ir a alguna dimensión adicional para llegar a estos otros universos».

Aunque así fuera y existiera una conexión a través de estas dimensiones del espacio con otros universos, éstos podrían permanecer permanentemente fuera del alcance y de la vista, gracias a que la inflación del Universo significa que existe un horizonte cósmico más allá del cual no podemos ver. Si no hay «conectividad» entre universos en un multiverso, hace que el concepto cosmológico de un multiverso sea casi imposible de probar experimentalmente.

“La ‘evidencia’ hasta la fecha es teórica, no experimental. Y, desafortunadamente, no podemos hacer ningún experimento directo para verificar o falsificar lo que sucede en otros universos”, explica Adams.

Nuestra incapacidad para probar estas ideas es una espada de doble filo. Si bien la falta de formas de probar un multiverso significa que no podemos probar su existencia, también significa que tampoco podemos refutarlo.

El multiverso del agujero negro

Al final de la vida de una estrella masiva, cuando se ha quedado sin combustible para la fusión nuclear, colapsará en un agujero negro, una región del espacio-tiempo delimitada por una superficie llamada horizonte de sucesos de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

La Teoría General de la Relatividad de Einstein nos dice que una gran masa puede curvar el espacio-tiempo. La teoría también dice que el corazón de un agujero negro tiene una singularidad donde la masa es tan grande que la curvatura del espacio-tiempo se vuelve infinita y, en consecuencia, las leyes de la física se rompen. Este es un concepto que preocupa a los físicos, pero una hipótesis podría eliminar la singularidad y reemplazarla con un universo completo y, a su vez, un multiverso.

«Las singularidades no son físicas porque no pueden medirse. Eso significa que su existencia indica que una teoría está incompleta», afirma el físico teórico Nikodem Poplawski, de la Universidad de New Haven (Connecticut). «En mi hipótesis, cada agujero negro produce un nuevo universo bebé en su interior -al otro lado del horizonte de sucesos- y se convierte en un puente de Einstein-Rosen, también conocido como agujero de gusano, que conecta este universo bebé con el universo padre en el que existe el agujero negro».

¿Podría un agujero negro generar un nuevo universo bebé? 
Esta ilustración es de un agujero de gusano, un atajo hipotético que conecta dos puntos separados en el espacio-tiempo © Science Photo Library

En esta teoría, cuando se ve desde el nuevo universo, el universo padre aparece como el otro lado de un agujero blanco, una región del espacio a la que no se puede acceder desde el exterior y que puede considerarse como el reverso de un agujero negro.

“Una analogía de la materia que va a un agujero negro y termina en un nuevo universo podría ser soplar una pompa de jabón a través de una varita circular”, dice Poplawski. “La varita es el horizonte de eventos, aunque en una dimensión menos, el jabón líquido es la materia que cruza el horizonte de eventos y la superficie de la burbuja es el nuevo universo”.

En la hipótesis sugerida por Poplawski, un universo puede producir miles de millones de agujeros negros y cada uno de ellos podría producir un universo bebé. En enero de este año, investigadores de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) en Italia estimaron que podría haber hasta 40 billones, es decir, un cuatro seguido de 13 ceros, agujeros negros solo en nuestro Universo. ¡Eso es un montón de universos bebés!

Estos universos infantiles estarían ocultos para los ocupantes de su universo padre por la superficie del horizonte de sucesos que atrapa la luz, y una vez que ese horizonte de sucesos se cruza, no hay vuelta atrás. Eso, y el hecho de que nada puede entrar en un agujero blanco (que todavía es puramente teórico pero permitido por la Relatividad General), significa que no hay interacción entre padres e hijos.

De acuerdo con la Teoría General de la Relatividad de Einstein, los objetos grandes hacen que el espacio-tiempo se curve © Science Photo Library

Sin embargo, si existieran dos agujeros negros en el mismo universo, y cada uno de estos agujeros negros creara un nuevo universo, entonces existe la posibilidad de que estos dos universos hermanos se fusionen, «al igual que dos agujeros negros se fusionan para crear un agujero negro». dice Poplawski.

Agrega que esto se manifestaría en un universo bebé como una asimetría a gran escala en el espacio. Esto significa que si alguna vez descubrimos alguna dirección preferida en nuestro Universo, una dirección con materia y energía en aumento, por ejemplo, podría atribuirse a que nuestro Universo interactúa con un hermano.

En cuanto a la posibilidad de que exista una versión alternativa de ti más allá del horizonte de eventos de un agujero negro, Poplawski concluye que las posibilidades no son buenas. “No habría un ‘tú alternativo’. En cualquier momento, un objeto solo puede existir en un universo”, dice.

Pero un pilar de la cultura pop refleja su concepto: “Creo que lo más parecido podría ser la TARDIS en Doctor Who. Entras en la cabina de policía y te das cuenta de que estás en algo más grande que la cabina”.

El multiverso de muchos mundos de la mecánica cuántica

En la física cuántica, que se ocupa de las leyes físicas de lo subatómico, el término multiverso no existe. En cambio, los universos alternativos se denominan «muchos mundos» y son parte de un concepto radicalmente diferente, ya que no son de naturaleza geográfica como los multiversos explorados anteriormente.

La hipótesis de los muchos mundos fue sugerida por primera vez por el físico estadounidense Hugh Everett III para explicar cómo un sistema cuántico puede existir en estados aparentemente contradictorios al mismo tiempo, llamado «superposición», y cómo estos estados paradójicos parecen desaparecer.

El efecto de muchos mundos sobre la existencia de una superposición de estados puede imaginarse considerando el famoso experimento mental de Erwin Schrödinger, el gato de Schrödinger.

El gato de Schrödinger puede ayudar a explicar la superposición, pero también los multiversos cuánticos © Science Photo Library

En el experimento mental, se coloca a un desventurado gatito en una caja sellada con un dispositivo que contiene un vial de veneno letal, que sólo se libera si un núcleo atómico de la caja se desintegra. Tratando la caja, el gato y el dispositivo como un único sistema cuántico, cada estado -en este caso, «vivo» o «muerto»- se describe mediante una onda. Como las ondas pueden superponerse para formar una única función de onda, el gato puede existir en una superposición de estados. Esto significa que, en mecánica cuántica, el gato está vivo o muerto simultáneamente.

Este estado aparentemente contradictorio sólo persiste hasta que se abre la caja -lo que equivale a realizar una medición del sistema- y la función de onda se colapsa, lo que significa que la superposición desaparece y el estado se resuelve. El gato está vivo o muerto. Sin embargo, sigue siendo un misterio por qué la medición provoca este colapso de la superposición, también conocido como «decoherencia».

La hipótesis de los muchos mundos elimina por completo la decoherencia. En cambio, sugiere que en lugar de que la apertura de la caja colapse la función de onda, la medición hace que crezca exponencialmente y «trague» al experimentador y, finalmente, a todo el Universo.

“En la formulación de muchos mundos de la mecánica cuántica, cada estado de un sistema es un mundo físicamente distinto”, dice el profesor Jeffrey Barrett, filósofo de la ciencia de la Universidad de California Irvine.

Esto significa que cada pulsación de un interruptor crearía una infinidad de mundos. Uno para cada trayectoria posible de cada fotón cuando la luz llena el salón, no sólo un mundo en el que no se pulsa el interruptor.

Eso significa que, en términos del experimento mental del gato de Schrödinger, el experimentador no está abriendo la caja para descubrir si el gato está vivo o muerto. Más bien abre la caja para descubrir si se encuentra en un mundo en el que el gato está muerto o en uno en el que vive.

Al principio, los mundos que componen este multiverso cuántico son similares, con diferencias infinitesimalmente pequeñas. Pero estos cambios crecen de un universo a otro, lo que significa que aquellos que divergieron antes podrían ser asombrosamente diferentes entre sí.

“Los objetos, eventos y registros físicos de los observadores son diferentes en diferentes mundos. Hay un mundo donde la Torre Eiffel está en Los Ángeles”, dice Barrett. “Todos los mundos, universos, son parte de un solo universo global. Se parece a este universo desde la percepción de nuestro mundo ramificado”.

Barrett aborda la cuestión de la probabilidad de que uno de estos «muchos mundos» contenga un «tú» alternativo. Revela que no sólo es posible, sino que se exige.

“Ciertamente contendría muchas copias alternativas de mí”, dice. «Eso es fundamental para la forma en que la teoría aborda el problema de la medición cuántica».

Todo ello hace que la versión cuántica del multiverso sea la que más se parece a la cultura pop, al menos en principio. Esto se debe a que no sólo es probable que contenga infinitas versiones de ti, sino que definitivamente las tiene.

ROBERT LEA (19/10/2022) Science Focus

Robert Lea es periodista científico independiente especializado en espacio, física y astronomía. Su trabajo se ha publicado en Newsweek, Physics World y Astronomy Magazine.

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