¿Un Universo de la "Nada"? (Parte 1)

La predicción de Paul Dirac sobre la existencia de antimateria, y de su descubrimiento experimental posterior, fueron un avance monumental en la física.

La existencia de la antimateria se entiende dentro del contexto de la famosa formula de Einstein E=MC2, que iguala los conceptos de la masa y la energía. La teoría de la antimateria de Dirac proporciono el mecanismo concreto para la “creación”.

¿Cómo? Einstein nos enseñó que la masa es energía y que la energía es masa. Según la teoría de la relatividad, las dos son lo mismo. Hasta que llego Dirac, no sabíamos cómo convertir una esencia en otra: cómo convertir la masa en energía y la energía en masa. Si, según Einstein, las dos son lo mismo, deberían ser intercambiables. La célebre ecuación de Dirac -que incorporó la célebre ecuación de Dirac- proporcionó el mecanismo real con el que la masa se puede convertir en energía y la energía en masa. Para Einstein, se trata de una esencia que cambia de forma: como agua que se transforma en hielo y hielo se trasforma en agua. El nombre técnico del mecanismo de Dirac es “Creación de pares”. Este término quiere decir que de una cantidad dada de energía, la naturaleza puede crear pares iguales de partículas.

El universo tiene simetrías hermosas insertas dentro de su estructura misma. El par de partículas que se puede producir mediante el mecanismo de Dirac, a partir de una pequeña cantidad de energía, es un par de elementos igualados a la perfección: uno es el reflejo exacto del otro en todos los sentidos, una partícula está hecha de “materia” y la otra de “antimateria”. Dado que el fotón una partícula de luz, (es decir, un quantum de energía), no tiene carga eléctrica, una de las partículas creadas tendrá una carga positiva y la otra la misma cantidad de carga negativa; las dos partículas son como el Ying y el Yang: una complementa a la otra. Su carga total, junta, es cero, ya que +1 y -1 suman cero, que es la carga original del fotón que se creó. Por lo tanto, una vez que tenemos un poco de energía disponible, apartar de las reglas cuánticas y la ecuación de Dirac podríamos crear pares de partículas y antipartículas y, por consiguiente, un universo “a partir de la nada”. 

El brillante físico de MIT Alan Guth propuso este tipo de universo, lo llamo “el almuerzo gratis definitivo”.

Explicar esta idea requiere cierto trabajo.

La idea de  “Un universo a partir de la nada” surgió de la unión de la mecánica cuántica y la antimateria de Dirac. Como hemos visto, la mecánica cuántica nos dice que las cosas fluctúan naturalmente (son estas fluctuaciones, que nacieron del principio de incertidumbre de Heinsenberg, las que asociamos con las probabilidades ubicuas inherentes en la teoría cuántica). Ahora, incluso en un vacío habrá ciertas fluctuaciones cuánticas en la energía, fluctuaciones que quizá ronden un valor de cero absoluto. Según esta hipótesis, si durante una fracción de segundo esta energía fluctuante es positiva, entonces, en función de la ecuación de Dirac, la energía puede crear pares de partículas y antipartículas.

Por lo tanto, parece que la materia se “creó de la nada”. Sin embargo, por supuesto que no es así, lo que tenemos es energía convirtiéndose en materia, que después puede regresar a ser energía mediante la aniquilación de la materia con la antimateria. Hay muchos problemas que esta teoría no ha abordado. 

Primero, ¿qué pasa con toda la antimateria? ¿Adónde va? ¿Por qué no aniquila a la materia de nuevo para crear energía?

La teoría del “Universo a partir de la nada” no ha respondido estas y otras preguntas relacionadas.

Por último, la fluctuación cuántica de energía, aun alrededor de un valor global de cero, tiene que fluctuar sobre algo. ¿Qué es este algo en donde ocurre la fluctuación? Tiene que ser algo preexistente. Veremos esa idea más adelante. 

Lawrence Krauss, físico y cosmólogo, Director del Proyecto Orígenes en la Universidad Estatal de Arizona.

El libro de Lawrence Krauss, el cual su autor describe como el resultado de un video que hizo para Richard Dawkins, explota la idea de Alan Guth sobre el universo como “un almuerzo gratis” y concluye que el universo surgió de la nada pura. El problema principal con esta teoría reside en la definición de la “nada”.

Krauss emite algunas declaraciones vagas acerca de las energías positivas y negativas y, por fin, hacia al final de su libro, recurre como “prueba” a un artículo del físico Alexander Vilenkin. No hay ninguna referencia en el libro de Krauss al artículo de Vilenkin, ni a cualquier otro libro o artículo. Simplemente afirma que el artículo de Vilenkin, no identifica, “prueba” que un universo puede surgir de la nada pura.

No pude encontrar el artículo de Vilenkin al que elude Krauss, así que contacté a su autor, quien en un gesto generoso, me envió una copia de su trabajo, escrita en 1985. La fecha, por si sola, muestra que no hay nada nuevo en el libro de Krauss, el resultado técnico sobre el que descansa la tesis entera del libro es de hace más de un cuarto de siglo. ¿Pero que dice el trabajo de Alexander Vilenkin?

¿Refuta la existencia de Dios basándose en la física?

El artículo de Vilenkin, “Quantum origin of the Universe” [1] es, en efecto, una obra maestra de la física que emplea tanto la relatividad general como la mecánica cuántica para intentar rastrear el origen mismo del universo. Sin embargo, en la última página de su artículo, Vilenkin nota lo siguiente:

Alexander Vilenkin, profesor de física y Director del Instituto de Cosmología en la Universidad de Tufts.

“La mayoría de los problemas que se discuten en este trabajo pertenecen a la cosmología metafísica, la rama de la cosmología completamente separada de las observaciones. Sin embargo, esto no quiere decir que dichos problemas no permitan hacer un análisis racional: las idean pueden demostrarse al revisar la consistencia general de nuestra visión del universo”. [2]

La visión del universo en la que se basa Vilenkin, consiste en lo que sabemos del universo gracias a la teoría y la observación. 

El punto de partida de su modelo cosmológico es, en efecto, algo en un sentido “anterior” a la existencia de algún fragmente de espacio-tiempo que después se llena con campos y partículas, y consecuentemente crece para convertirse en el universo que conocemos.

La “nada" de Vilenkin está, de hecho, más cercana a la “nada” que cualquier cosa que se haya contemplado antes. Pero como científico cuidadoso, Vilenkin sigue siendo cauteloso sobre su definición de la nada, y entrecomilla el término. La nada de Vilenkin no es un espacio-tiempo que exista. Es un solo punto, sin extensión. Pero ese punto sigue estando incrustado en un medio preexistente: la espuma cuántica que existió antes de la creación del universo. (La espuma cuántica es un medio altamente turbulento y condensado en donde el espacio y el tiempo son altamente curvos y en el que los efectos cuánticos y la relatividad general son potentes).

En ese sentido, el universo no surgió a partir de la nada completa y absoluta, parecida al conjunto vacío de los matemáticos.

Esta “nada” del modelo de Vilenkin es la ausencia de un espacio-tiempo clásico. Vilenkin escribe:

“Discutiré un modelo en el que el universo se crea por el efecto túnel a partir de la “nada”, y con “nada" me refiero a un espacio que carece del espacio-tiempo clásico”. [3]

Al recurrir al proceso de mecánica cuántica llamado efecto túnel, mediante el cual un sistema cuántico (por lo regular una partícula pequeña, aunque en este caso la partícula pequeña es el punto sin extensión que se convertiría en el universo) “hace un túnel” a través de un límite clásico. Por regla general, una partícula cuántica puede atravesar una barrera gracias a sus poderes del efecto túnel. Puede hacerlo porque como recordaremos, en la mecánica cuántica una partícula es también una onda, y por lo tanto tiene una función de onda. Puede suceder que la longitud de onda de la función de onda se extienda más allá de la ubicación de un límite físico como un pedazo delgado de metal.
Ahora, puesto que cuando la función de onda se eleva al cuadrado el resultado es la función de probabilidad, puede suceder que la función de probabilidad “se estire” más allá del límite.
Esto quiere decir que la partícula tiene una probabilidad no-cero de existir más allá del imite. Y dado que en la física cualquier cosa que pueda suceder (es decir, que tenga una probabilidad no-cero de ocurrir) tarde o temprano va a suceder, la partícula puede “construir un túnel” para pasar al otro lado de la barrera.

Al aplicar esta idea al punto que representa un universo sin expandir, Vilenkin argumenta que su función de onda le permite extenderse más allá de su estado de la “nada” y que, por lo tanto, a la larga lo hace. El resto, como dice, es historia: ¡el Big Bang!

La nada de Vilenkin no es un nada absoluta. Requiere muchos elementos para que surja su universo: la espuma cuántica, el campo gravitacional de Einstein, el campo de Higgs, el efecto túnel y otras entidades y leyes físicas. Por lo tanto, es engañoso afirmar, como lo hace Krauss en su libro, que un universo se puede crear a partir de la nada absoluta. 

*Extracto del libro "Por qué la ciencia no puede refutar a Dios" de Amir D. Aczel, paginas 113-117.

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Sobre el autor:

Amir D. Aczel (1950-2015) fue un físico-matemático estadounidense y un particular y destacado conferencista sobre matemáticas, y divulgación científica. Fue también profesor en el Bentley College de Waltham (Massachusetts, Estados Unidos) y autor de diversos bestsellers tanto nacionales como internacionales. Destacó especialmente su libro Fermat's Last Theorem que trata sobre "El último teorema de Fermat".
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Referencias: 

1. Alexander Vilenkin, “Quantum Origin of the Universe”, Nuclear Physics B, vol. 252, octubre de 1985, pp. 141-152.

2. Ibid. , p. 152.

3. Ibid. , p. 141.

*Nota: El libro al que Aczel hace referencia como "El libro de Krauss" es
"A Universe from Nothing".