Cosmología y límites de las leyes (conocidas) de la naturaleza

Hay un concepto importante para entender la situación actual de la cosmología. Es el de límites de las leyes conocidas de la naturaleza. Veamos esto.

Límites

Como dijo Galileo, el libro del universo está escrito en lengua matemática. Y de hecho, desde Newton, se ha comprobado una y otra vez. Un par de ejemplos (hay más):

• Las leyes matemáticas de Newton describen el movimiento de los planetas.
• Las leyes matemáticas de la mecánica de fluidos describen, por ejemplo, el movimiento del aire alrededor de un avión, o del agua alrededor de un barco.

Ahora viene una pregunta importante: ¿funcionan siempre estas leyes? Quiero decir, si hago experimentos y comparo los resultados con las predicciones de estas leyes, ¿siempre cuadrarán ambos? Pues, no.

• Las leyes de Newton se alejan progresivamente de la realidad según aumenta la gravedad[1], en nuestro ejemplo, según nos acercamos al Sol. Funcionan muy bien para la Tierra, algo menos para Venus, y aún menos para Mercurio. Para la Tierra, la diferencia entre la teoría de Newton y las observaciones es tan pequeña que no se pudo medir hasta los 1940. Para Mercurio, ya se había detectado en el siglo XIX. 
• Las leyes de la mecánica de fluidos dejan progresivamente de ser válidas cuando tienen que ver con distancias muy cortas, del orden de la distancia entre dos moléculas del fluido.

¿Querrá esto decir que no existen leyes para los planetas muy cercanos al sol? ¿O que no existen leyes para predecir lo que hará un fluido en distancias muy cortas? No. Solo quiere decir que Newton y la mecánica de fluidos son unas aproximaciones a la realidad que tienen sus límites. Nada más. De hecho, se encontraron en el siglo XX teorías que abrazan, respectivamente, a Newton y a la mecánica de fluidos, y que permiten ir más allá de dichos límites.

Mas allá de los límites… otros límites

• Fue Einstein, con su teoría de la Relatividad General (RG) quien supo extender a Newton para describir correctamente la órbita de Mercurio. Si bien las fórmulas de Newton se alejan progresivamente de la realidad para los planetas más cercanos al Sol, las de Einstein, no. Siguen ajustándose a las observaciones.
• En cuanto a la mecánica de fluidos, el siglo pasado vio el desarrollo de la denominada “teoría cinética de los gases”, con el alemán Ludwig Boltzmann como pionero. Sobre distancias grandes, se reduce a la mecánica de fluidos del siglo XIX, pero sobre distancias pequeñas, la teoría cinética sigue siendo relevante mientras la mecánica de fluidos deja de ser confiable.

Ahora bien, ¿tendrán a su vez límites la RG y la “teoría cinética” esa? Sí, los tienen. Solo hablaremos de los límites de la primera, lo que nos llevará al tema del principio del universo.

Límites de la relatividad general

La mecánica cuántica, otra hija del siglo pasado, nos ha enseñado que un electrón, por ejemplo, no es una bolita. También, a veces, se comporta como una ola. Va y viene, según las circunstancias. Pero eso, la RG no lo sabe. Sus ecuaciones se establecen ignorando lo que podríamos llamar “la naturaleza cuántica de la materia”.

En cualquier circunstancia que consideremos en el sistema solar, la “trampa” pasa completamente desapercibida. Pero si una estrella, por ejemplo, se volviera suficientemente densa, la RG ya no podría describir su gravedad. ¿Por qué? Porque más allá de una densidad crítica denominada densidad de Planck, la “trampa” se destapa y mecánica cuántica y RG tienen que “jugar” juntas. Y de momento, nadie sabe cómo lo hacen.[2]

Cosmología

El universo está en expansión. Al pasar la película al revés, vemos el universo achicándose, con una densidad de materia cada vez más grande. Según la misma RG, dicha densidad se vuelve infinita en un supuesto “instante 0”. Y aquí está el lío: antes de volverse infinita, la densidad del universo tendrá, sí o sí, que sobrepasar la de Planck. Y acabamos de ver que la RG deja de ser válida para densidades por encima de… la de Planck.

Así que, este “instante 0” con densidad infinita prevista por la RG, esta “singularidad”, se da en un contexto en el que la RG ya no es válida. En la película al revés, podemos confiar en nuestra descripción de la historia del universo hasta que el universo alcance esta densidad de Planck. Pero no más allá.

¿Qué pasó antes de ese momento? No lo sabemos. No es que no haya leyes. Las hay. Simplemente, no las conocemos. Somos como un Newton sin RG, o un Euler (padre de la mecánica de fluidos) sin teoría cinética. Por tanto, mientras no tengamos una teoría probada de la gravedad cuántica, lo único que podremos hacer respecto a la historia anterior a este “momento de Planck” será… especular.

Notas

[1] O cuando tratan de velocidades cercanas a la de la luz.

[2] La teoría de cuerdases la candidata más famosa a la unión de la RG con la mecánica cuántica, aunque no es la única. Aún no ha podido comprobarse mediante experimentos u observaciones. Sobre esta teoría, que a veces genera cierta inquietud entre los cristianos, puede leerse un artículo en Tubo de Ensayo: ¿Ha hecho innecesario a Dios la teoría de cuerdas?