Un equipo de científicos rompe o límite do tempo e mira máis aló do Big Bang

Desde que os estudantes escoitan por primeira vez a historia do Big Bang na escola, xorde unha pregunta inevitable: que había antes diso? É unha desas dúbidas que parecen prohibidas, coma se a ciencia non tivese permiso para tocar ese limiar. Moitos libros de texto evitárono durante anos, suxerindo que a propia noción de “antes” perde sentido cando o tempo nace co Big Bang. Con todo, un grupo de físicos non se resigna a esa barreira.

O equipo formado por Eugene A. Lim (King’s College London), Katy Clough (Queen Mary University of London) e Josu Aurrekoetxea (Universidade de Oxford) publicou unha extensa revisión na revista Living Reviews in Relativity onde propoñen aplicar a relatividade numérica aos grandes misterios cosmolóxicos. A súa proposta é ambiciosa: usar supercomputadoras para explorar o que ocorreu antes do Big Bang, se o universo é cíclico, ou se vivimos nun multiverso.

A cosmoloxía moderna baséase nas ecuacións da relatividade xeral de Einstein. Estas permiten describir a evolución do universo, pero fallan cando retrocedemos demasiado no tempo, ata chegar ao instante cero: unha singularidade con densidade infinita e leis físicas que deixan de ter sentido.

En condicións normais, os cosmólogos asumen que o universo é homoxéneo (igual en todas partes) e isótropo (igual en todas direccións). Isto simplifica moito as ecuacións e permite facer predicións. Pero estas suposicións non se sosteñen en condicións extremas, como as que habería no Big Bang ou dentro dun buraco negro. “Non podes ir máis aló do farol se non tes unha lanterna, simplemente non podes resolver esas ecuacións”, sinala Lim no comunicado de FQxI.

Esquema que divide a historia do universo en tres fases: antes do Big Bang, tras a inflación e a evolución ata o universo actual / Living Reviews in Relativity

O que propoñen os autores é empregar unha técnica chamada relatividade numérica, un método computacional que permite simular o comportamento do espazo-tempo en situacións extremas. Esta técnica xa se usou con éxito para modelar a colisión de buracos negros e predicir as ondas gravitacionales observadas por LIGO.

Na súa revisión, os autores explican como adaptar estas ferramentas ao estudo de escenarios cosmolóxicos. Isto require superar numerosos obstáculos técnicos, como elixir condicións iniciais que non contradigan as ecuacións de Einstein, definir como se representa o tempo e evitar erros numéricos que estraguen os resultados. A simulación dun universo enteiro require unha precisión abafadora e o uso de supercomputadoras especializadas.

Ademais, o artigo detalla que a elección do marco matemático ou “gauge” (o sistema de coordenadas usado nas simulacións) pode influír na interpretación dos resultados. En cosmoloxía, non existe unha única forma “correcta” de describir o universo; por iso, os autores insisten en desenvolver criterios máis robustos para comparar os datos obtidos en diferentes modelos.

Comparación entre enfoques: mentres os cosmólogos ven o “gauge” como un pequeno axuste sobre un fondo simétrico, en relatividade numérica implica unha forma completamente distinta de cortar o espazo-tempo / Living Reviews in Relativit

Máis aló do Big Bang, a relatividade numérica tamén podería iluminar outras teorías especulativas que ata o de agora parecían inalcanzables para a ciencia. Unha delas é a hipótese dos “universos rebotantes”: modelos cíclicos nos que o cosmos non comeza cun Big Bang, senón que emerxe dun colapso anterior, nunha secuencia infinita de expansións e contraccións.

Tamén se menciona a posibilidade de detectar “mazaduras” ou pegadas no fondo cósmico de microondas que poderían ser causadas por colisións con outros universos veciños, se o multiverso existe. Mesmo se baralla estudar as pegadas de cordas cósmicas, defectos topolóxicos que poderían formarse nos primeiros momentos do universo e que deixarían sinais específicos en forma de ondas gravitacionais.

Segundo os autores, “os universos que rebotan son un excelente exemplo, porque alcanzan zonas de gravidade intensa onde non se pode confiar nas simetrías”. Xustamente neses escenarios a relatividade numérica podería resultar clave para determinar se estas ideas teñen base científica ou son só especulacións sen fundamento.

Unha parte significativa do artigo dedícase á etapa inflacionaria do universo, ese instante tras o Big Bang en que o cosmos se expandiu exponencialmente nunha fracción de segundo. Aínda que a inflación explica por que o universo é tan homoxéneo, tamén expón un problema circular: para que ocorra, é necesario asumir que o universo xa era relativamente uniforme, algo que a propia inflación busca xustificar.

A relatividade numérica permite simular condicións iniciais moito máis complexas, nas que o universo podería empezar sendo altamente caótico, con rexións moi densas e outras case baleiras. Algúns estudos revisados mostran que, mesmo neses escenarios extremos, a inflación pode abrirse paso e acabar dominando o comportamento do cosmos, aínda que non en todos os casos. Isto achega unha forma rigorosa de poñer a proba modelos inflacionarios, especialmente aqueles propostos desde teorías máis fundamentais como a teoría de cordas.

Un da obxectivos clave do traballo é tender pontes entre comunidades científicas que raramente colaboran. A relatividade numérica foi tradicionalmente usada no estudo de buracos negros e ondas gravitacionais, mentres que a cosmoloxía adoita usar modelos simplificados e ecuacións tratables con lapis e papel.

“Esperamos desenvolver ese solapamento entre cosmoloxía e relatividade numérica, de modo que os relativistas numéricos poidan aplicar as súas técnicas aos problemas cosmolóxicos, e os cosmólogos que se enfrontan a preguntas irresolubles, poidan recorrer á relatividade numérica”, comenta Lim.

Noutras palabras, o traballo non só propón novas ferramentas, senón que tamén convida a repensar os límites entre ramas da física que tradicionalmente traballaron por separado. Se esta converxencia progresa, podería abrir a porta a descubrimentos que hoxe parecen inalcanzables.

A idea dun universo que se expande, colapsa e volve nacer non é nova. De feito, o modelo do “universo oscilante” foi proposto xa nos anos 30 polo físico Richard Tolman, e reapareceu con distintas variantes ao longo do século XX. Estas versións imaxinaban un cosmos que pasaba por ciclos de expansión e contracción, sen necesidade dun comezo absoluto.

Con todo, todos eses modelos clásicos compartían un problema: dependían de suposicións moi simplificadas, como un universo perfectamente homoxéneo e simétrico. Baixo esas condicións, as ecuacións eran manexables, pero non representaban fielmente o caos e a complexidade do universo real, especialmente en momentos extremos como un rebote cósmico.

A novidade do traballo de Lim e o seu equipo non está en propoñer que o universo poida rebotar, senón en mostrar que agora podemos estudalo con ferramentas científicas avanzadas. Grazas á relatividade numérica, é posible simular que ocorre cando o espazo-tempo se curva ao máximo, sen depender de aproximacións idealizadas. Isto permite por primeira vez avaliar con rigor se certos modelos de rebote ou universos anteriores ao Big Bang poderían ser fisicamente viables.

É dicir, o que antes era unha especulación matemática agora pode converterse nunha hipótese comprobable mediante simulacións, algo que cambia por completo o enfoque co que a ciencia aborda este tipo de escenarios.

FONTE:Eugenio Manuel Fernández Aguilar/muyinteresante.com