El misterio del multiverso

Por Brian Greene

Pero la pregunta de Einstein no era teológica. En realidad, el padre de la relatividad quería saber si las leyes de la física producen necesariamente un universo único —el nuestro— lleno de galaxias, estrellas y planetas. O si, como ocurre cada año con la gama de nuevos autos que se ofrecen en las concesionarias, las leyes podían permitir que existan universos con una amplia variedad de características diferentes. Y si es así, ¿acaso la imponente realidad que hemos llegado a conocer —a través de poderosos telescopios y enormes colisionadores de partículas— es el producto de algún proceso aleatorio, un juego de dados cósmico que seleccionó nuestras características de entre un amplio menú de posibilidades? ¿O existe una explicación más profunda de por qué las cosas son como son?

En la época de Einstein, la posibilidad de que nuestro universo podría haber sido distinto era una idea perturbadora que los físicos "serios" sólo tomarían en cuenta una vez resueltos asuntos más importantes. Pero, recientemente, la pregunta pasó de los márgenes de la física a la corriente principal. Y en lugar de sólo imaginar que nuestro universo pudo haber tenido propiedades diferentes, tres avances científicos autónomos sugieren que existen otros universos, independientes del nuestro, la mayoría de los cuales están conformados por distintos tipos de partículas y gobernados por diferentes fuerzas. El cosmos, según esta novedosa interpretación, sería sorprendentemente extenso. Mucho más de lo imaginable.

El multiverso, como se denomina a este vasto cosmos, es uno de los conceptos más "polarizadores" de la física en décadas: las aguas se dividen entre quienes afirman que es la siguiente fase de nuestro conocimiento de la realidad y quienes aseveran que es un completo disparate: una farsa creada por teóricos de imaginación desbordada.

¿Cuál de las dos posturas es la correcta? ¿Y por qué debe importarnos? Para entender la respuesta, es necesario comprender primero la gran explosión.

En busca de la explosión

En 1915, Einstein publicó la más importante de sus obras, la teoría general de la relatividad, que fue la culminación de una búsqueda de 10 años para comprender la fuerza de gravedad. La teoría fue un prodigio de belleza matemática. Sus ecuaciones podían explicar, con gran exactitud, desde el movimiento de los planetas hasta la trayectoria de la luz de las estrellas.

Pocos años después, análisis matemáticos posteriores llegaron a la conclusión de que el espacio mismo se está dilatando, alejando a las galaxias una de otra. Aunque al principio Einstein se resistió a esta sorprendente derivación de su propia teoría, las observaciones del espacio interplanetario realizadas por el gran astrónomo estadounidense Edwin Hubble en 1929 la confirmaron. Pronto, los científicos comprendieron que si el espacio está en expansión, en épocas más remotas el universo debió haber sido aún más pequeño. En algún momento del pasado distante, todo lo que ahora vemos —los elementos responsables de cada planeta, de cada estrella, de cada galaxia, e incluso del espacio mismo—
debieron haber estado comprimidos en un punto infinitesimal que se expandió, evolucionando hasta convertirse en el universo como lo conocemos.

Había nacido la teoría del Big-Bang o la "gran explosión", que sería avalada por varias observaciones en las décadas siguientes. Sin embargo, los científicos sabían que la teoría del Big Bang tenía un defecto importante. Aunque parezca mentira, deja fuera la parte del Bang: la explosión. Las ecuaciones de Einstein describen de manera estupenda la forma en que el universo comenzó a evolucionar una fracción de segundo después de la explosión, pero las ecuaciones se debilitan cuando se aplican al ambiente extremo del momento más temprano del universo. Por lo tanto, la teoría no proporciona información sobre lo que podría haber suministrado energía a la explosión misma.

Combustible para el fuego

En la década del ‘80, el físico Alan Guth ofreció una versión mejorada de la teoría del Big Bang, la "teoría del universo inflacionario", que prometía superar esta carencia. El elemento central de la propuesta es la existencia de un hipotético combustible cósmico que, si se concentra en una región diminuta, provocaría una breve pero formidable ráfaga de espacio —una explosión, y muy grande, por cierto—. De hecho, los cálculos matemáticos mostraban que el estallido habría sido tan intenso que diminutas fluctuaciones a escala cuántica podrían haberse dispersado en el espacio. Como el elastano, que cuando se estira en exceso muestra el patrón de su trama, esto produciría un patrón preciso de minúsculas diferencias de temperatura, lugares ligeramente más calurosos o más fríos que salpicarían el cielo nocturno. A comienzos de la década del ‘90, el satélite Explorador del Fondo Cósmico (COBE) de la NASA detectó por primera vez estas diferencias de temperatura, lo que granjeó el Nobel a los líderes del equipo, John Mather y George Smoot.

Pero el análisis matemático también reveló —y es aquí donde entra el multiverso— que cuando el espacio se expande, el combustible cósmico se reabastece, y lo hace de manera tan eficiente que es prácticamente imposible gastarlo todo. Lo cual sugiere que el Big Bang no sería un evento único: el combustible no sólo aportaría energía a la explosión que dio origen a nuestro entorno que se expande, sino también a incontables explosiones más, cada una de ellas produciendo su propio
universo distinto y en expansión. Nuestro universo sería, entonces, una sola burbuja que se expande en medio de un enorme baño de burbujas de universos: un multiverso.

Es una posibilidad sorprendente. Si es correcta, culminaría una larga serie de reevaluaciones cósmicas. Alguna vez pensamos que nuestro planeta era el centro de todo, sólo para darnos cuenta de que somos uno de los muchos planetas que giran alrededor del Sol; luego nos enteramos de que el Sol, estacionado en un suburbio de la Vía Láctea, es sólo una de los cientos de miles de millones de estrellas en nuestra galaxia; y por último descubrimos que la Vía Láctea es una de los cientos de miles de millones de galaxias que habitan el universo. Ahora, la cosmología inflacionaria sugiere que nuestro universo, lleno de esos miles de millones de galaxias, estrellas y planetas, podría ser simplemente uno de los muchos que habitan un vasto multiverso.

Sin embargo, cuando el concepto del multiverso fue propuesto, en la década del ‘80, por los pioneros Andrei Linde y Alexander Vilenkin, la comunidad de físicos se encogió de hombros. Los otros universos, aun si existían, estarían fuera de lo observable —nosotros sólo tenemos acceso a este universo—. Entonces, aparentemente, no nos afectarían y no los afectaríamos. Por lo tanto, ¿qué función podrían tener otros universos en la ciencia, que se dedica a explicar lo que vemos? Las cosas permanecieron así durante cerca de una década, hasta que una asombrosa observación astronómica sugirió una respuesta.

El misterio de la energía oscura

Aunque el descubrimiento de que el espacio se expande fue revolucionario, había un aspecto de la expansión que casi todos daban por sentado. Así como el tirón de la gravedad terrestre disminuye la velocidad de ascenso de una pelota lanzada hacia arriba, el tirón gravitacional de cada galaxia sobre las demás debía estar disminuyendo la velocidad de expansión del espacio.

En la década de 1990, dos equipos de astrónomos se propusieron medir el índice de esta ralentización cósmica. Tras una prolongada observación de galaxias distantes, los científicos recopilaron datos sobre el cambio en el tiempo del índice de expansión del espacio. Y cuando terminaron el análisis, casi se cayeron de espaldas. Ambos equipos hallaron que, lejos de disminuir la velocidad, la expansión del espacio se aceleró enormemente hace unos 7.000 millones de años y ha ido subiendo su velocidad desde entonces. Es como lanzar con suavidad una pelota hacia arriba, la que disminuye su velocidad al comienzo pero después sale disparada con una velocidad aún mayor.

El resultado hizo que los científicos de todo el mundo se apresuraran a explicar este aumento de la velocidad. ¿Qué fuerza podría estar haciendo que cada galaxia se alejara de las demás cada vez más rápido? La respuesta más prometedora nos viene de una antigua idea de Einstein. Todos estamos acostumbrados a que la gravedad sea una fuerza que hace sólo una cosa: hacer que los objetos se atraigan entre sí. Pero en la teoría general de la relatividad de Einstein, la gravedad también puede hacer ostra cosa: puede hacer que las cosas se repelan unas a otras. ¿Cómo? Bien, la gravedad ejercida por objetos familiares como la Luna, la Tierra y el Sol es, ciertamente, atrayente. Pero las ecuaciones de Einstein muestran que si el espacio contiene otra cosa —no grupos de materia, sino una energía invisible, una especie de neblina intangible extendida de manera uniforme en el espacio— entonces la gravedad ejercida por la neblina de energía sería repelente.

Lo anterior es justo lo que necesitamos para explicar las observaciones. La gravedad repelente de una neblina de energía invisible que rellena el espacio —que se conoce ahora "energía oscura"— empujaría a cada galaxia lejos de las otras, haciendo que la expansión se acelere en lugar de reducir su velocidad.

Pero hay una dificultad. Cuando los astrónomos calcularon cuánta energía oscura debía penetrar cada rincón del espacio para explicar el incremento observado de la velocidad cósmica, encontraron un número que nadie ha sido capaz de explicar. Ni siquiera parcialmente. Expresada en unidades relevantes, la densidad de la energía oscura es extraordinariamente pequeña:

0,00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000138.

Al mismo tiempo, los intentos de los investigadores para calcular la cantidad de energía oscura a partir de las leyes de física han producido resultados que tienen generalmente un orden de magnitud 100 veces mayor, lo que constituye quizás la mayor discrepancia entre la observación y teoría en la historia de la ciencia.

Eso obligó a los científicos a hacer un examen de conciencia.

Desde hace mucho tiempo, los físicos han creído que con trabajo duro, experimentación y cálculos laboriosos, ningún detalle de la composición fundamental de la realidad estaría más allá de la explicación científica. Sin duda, muchos detalles todavía no pueden explicarse, como la masa de partículas como los electrones y los quarks. Sin embargo, la expectativa ha sido que, a su debido tiempo, los físicos hallarían las explicaciones.

El espectacular fracaso de los intentos de explicar la cantidad de energía oscura ha hecho surgir dudas sobre esta confianza, por lo que algunos físicos empezaron a asumir un enfoque explicativo radicalmente diferente: uno que sugiere, otra vez, la posible existencia de un multiverso.

La solución del multiverso

El nuevo enfoque tiene raíces científicas que datan de inicios del siglo XVII, cuando al gran astrónomo Johannes Kepler le obsesionaba comprender un número concreto: los casi 150 millones de kilómetros entre el Sol y la Tierra. Kepler se esforzó durante años por explicar esta distancia, pero nunca tuvo éxito y la razón resulta clara desde nuestro punto de vista actual. Hoy sabemos que existen muchísimos planetas que giran alrededor de sus estrellas anfitrionas a muchas distancias diferentes, lo que demuestra la falacia de la búsqueda de Kepler: las leyes de la física no distinguen ninguna distancia específica, considerándola como especial. En cambio, lo que distingue a la distancia entre el Sol y la Tierra es simplemente que produce condiciones adecuadas para la vida: si estuviéramos mucho más cerca o más lejos del Sol, las temperaturas extremas evitarían que nuestra forma de vida se desarrollara. Por ello, aunque Kepler buscaba inútilmente una explicación fundamental para la distancia entre la Tierra y el Sol, existe una explicación por la que nosotros, los seres humanos, nos encontramos a esa distancia.

Al buscar una explicación para el valor de la energía oscura, tal vez hemos cometido un error análogo al de Kepler. Nuestra mejor teoría cosmológica —la teoría inflacionaria— da origen a otros universos. Entonces, quizá, así como hay muchos planetas que giran alrededor de estrellas a muchas distancias diferentes, tal vez haya muchos universos que contienen muchas cantidades diferentes de energía oscura. Si es así, el hecho de pretender que las leyes de la física expliquen un valor especial de energía oscura sería tan erróneo como tratar de explicar una distancia planetaria especial. En lugar de ello, la pregunta correcta sería: ¿por qué los seres humanos nos encontramos en un universo con la cantidad concreta de energía oscura que hemos medido, en lugar de cualquiera de las demás posibilidades?

Ésta es una pregunta que podemos abordar. En universos con cantidades mayores de energía oscura, siempre que la materia trata de aglomerarse para formar galaxias, el empujón repelente de la energía oscura es tan poderoso que el grupo se desintegra, lo que impide la formación de galaxias. En universos cuyo valor de energía oscura es mucho más pequeño, el empujón
repelente se transforma en un tirón atrayente, haciendo que esos universos se colapsen contra sí mismos tan rápidamente que las galaxias no se formarían. Y sin galaxias, no hay estrellas ni planetas, y por tanto, en esos universos no hay ninguna oportunidad de que se desarrolle nuestra forma de vida.

Y, así, nos encontramos en este universo y no en otro por la misma razón por la que nos encontramos en la Tierra y no en Neptuno: nos encontramos donde las condiciones son propicias para nuestra forma de vida. Aun siendo incapaces de observar otros universos, su existencia tendría una función científica: el multiverso aporta una solución al misterio de la energía oscura, haciendo que la cantidad que observamos resulte comprensible.

Al menos, eso es lo que afirman los defensores del multiverso. Para muchas otras personas, la argumentación es poco satisfactoria, absurda e incluso ofensiva. Y aseguran que el objetivo de la ciencia es proporcionar explicaciones definitivas, precisas y cuantitativas, no historias de "así son las cosas".

Pero el contrapunto esencial es que si la característica que se trata de explicar puede asumir, y de hecho asume, una gran variedad de valores matemáticos diferentes en todo el paisaje de la realidad, entonces salir a buscar una explicación definitiva para un solo valor es un desatino. Así como no tiene sentido buscar un pronóstico definitivo de la distancia en la que los planetas giran alrededor de sus estrellas debido a que hay muchas distancias posibles, si somos parte de un multiverso no tendría ningún sentido buscar un pronóstico definitivo del valor de la energía oscura, debido a que existirían muchos valores posibles.

El multiverso no cambia el método científico ni baja los estándares explicativos. Pero nos lleva a reevaluar si hemos planteado las preguntas equivocadas.

Lo que pende de un hilo

Por supuesto, para que este enfoque tenga éxito, debemos estar seguros de que el mismo valor que hemos medido se encuentre entre los muchos valores distintos de la energía oscura del multiverso. Y es ahí donde surge una tercera línea de investigación, la teoría de las cuerdas.

La teoría de las cuerdas es un intento de hacer realidad el sueño de Einstein de una "teoría unificada" capaz de unir toda la materia y las fuerzas en un solo tapiz matemático. Formulada inicialmente a fines de la década de 1960, la teoría prevé que en lo profundo de cada partícula elemental se encuentra un diminuto y vibrante filamento de energía parecido a una cuerda. Y así como los diferentes patrones vibratorios de una cuerda de violín producen distintas notas musicales, los diferentes patrones vibratorios de estas cuerdas diminutas producirían diferentes clases de partículas.

Los pioneros del tema anticiparon que la rígida arquitectura matemática de la teoría de las cuerdas pronto produciría un solo conjunto de pronósticos definitivos y comprobables. Pero a medida que pasaron los años, el análisis detallado de las ecuaciones de la teoría reveló numerosas soluciones, cada una de las cuales representaba un posible universo diferente. Y numerosos significados. En la actualidad, el número de universos posibles asciende a la casi incomprensible cantidad de 10500 (¡un uno seguido de 500 ceros!), un número tan grande que pone a prueba cualquier analogía o interpretación.

Para algunos defensores de la teoría de las cuerdas, este enorme fracaso de producir un único universo —el nuestro— fue un golpe devastador. Pero para quienes están a favor de la teoría del multiverso, la enorme diversidad de universos posibles producida por la teoría de las cuerdas ha resultado esencial.

Así como se requiere una zapatería bien surtida para garantizar que uno va a encontrar su número, sólo un multiverso bien surtido puede garantizar que nuestro universo, con su característica cantidad de energía oscura, sea representado. Por sí misma, la teoría del universo inflacionario se queda corta. Aunque sus interminables Big Bangs producirían una inmensa cantidad de universos, muchos tendrían características similares, como si fuera una zapatería con montones de zapatos de números 33 y 42, pero ninguno del calce que usted necesita.

No obstante, al combinar la cosmología inflacionaria y la teoría de las cuerdas, el surtido de universos desborda: en manos de la inflación, la enorme colección de universos posibles de la teoría de cuerdas se convierte en universos verdaderos, generados por una gran explosión tras otra. Así, está prácticamente garantizado que nuestro universo forme parte de ellos. Y dadas las características especiales que se requieren para nuestra forma de vida, ése es el universo que habitamos.

Ciencia de alto riesgo

Hace muchos años, Carl Sagan enfatizó que las afirmaciones extraordinarias requerían pruebas extraordinarias. Entonces, ¿podemos obtener pruebas que apoyen una propuesta que invoque otros universos?

Dado que los otros universos estarían más allá de lo que podemos observar, podría parecer que la respuesta es no, lo que pondría al multiverso fuera de los límites de la ciencia. Pero eso sería ir demasiado rápido. Es posible obtener pruebas para una propuesta aun cuando algunas de sus características más importantes son inaccesibles.

Tomemos como ejemplo los agujeros negros. Los científicos usan con regularidad la relatividad general para hablar con confianza de lo que ocurre dentro de un agujero negro, aunque nada, ni siquiera la luz, puede escapar del interior de un agujero negro, lo que hace que esas regiones sean inobservables. La justificación es que en cuanto una teoría hace un conjunto de pronósticos exactos sobre cosas que podemos observar, como lo ha hecho la teoría de la relatividad general, adquirimos una confianza justificada en los pronósticos de esa teoría sobre aquellas cosas que no podemos observar.

De forma semejante, si una propuesta que invoca el multiverso nos hace ganar confianza cuando hace pronósticos correctos sobre cosas a las que tenemos acceso, es decir, cosas que pertenecen a nuestro universo, entonces nuestra confianza en su pronóstico sobre otros universos, que son esferas a las que no tenemos acceso, también aumentaría.

Hasta hoy, estamos muy lejos de cruzar este umbral. La cosmología inflacionaria hace pronósticos exactos sobre la radiación de microondas de fondo; la energía oscura explica con exactitud la expansión acelerada. Pero la teoría de las cuerdas sigue siendo hipotética, en gran parte porque sus principales características distintivas se manifiestan a escalas miles de millones de veces más pequeñas de lo que podemos sondear, incluso con los aceleradores de partículas más poderosos de la actualidad.

Las pruebas más directas sobre la existencia del multiverso podrían provenir de las posibles colisiones entre nuestro universo que se expande y sus vecinos. Ese choque cósmico generaría un patrón adicional de diferencias de temperatura en la radiación de fondo de microondas que los telescopios sofisticados podrían detectar algún día. Para muchas personas, esta posibilidad es la más promisoria para descubrir pruebas a favor del multiverso.

El hecho de que existan maneras, sin duda remotas, de poner a prueba la propuesta de multiverso refleja su origen en el análisis matemático cuidadoso. Sin embargo, debido a que la propuesta es tentativa, debemos abordarla con un sano escepticismo e invocar con prudencia su base explicativa.

Imagine que cuando la manzana cayó sobre la cabeza de Newton, este no se hubiera sentido inspirado para desarrollar la ley de la gravedad, sino que hubiera razonado que algunas manzanas caen hacia abajo, que otras caen hacia arriba y que nosotros observamos la variedad descendente simplemente porque las que caen hacia arriba partieron hace mucho hacia el espacio sideral. El ejemplo es gracioso, pero el argumento es serio: si se usa de forma indiscriminada, la teoría del multiverso puede ser una evasión que evita que los científicos busquen explicaciones más profundas. Por otro lado, el hecho de no considerar la teoría del multiverso podría poner a los científicos en una cinta rodante kepleriana en la que correrían furiosamente para responder preguntas sin respuesta.

Todo lo anterior indica que la teoría del multiverso entra en el dominio de la "ciencia de alto riesgo". Existen numerosos avances que podrían debilitar la motivación para considerarla, desde la posibilidad de que los científicos finalmente logren calcular el valor correcto de la energía oscura, o la confirmación de una versión de la cosmología inflacionaria que produzca un solo universo, o descubrir que la teoría de las cuerdas ya no respalda una multitud de universos posibles, etcétera.

Pero, al igual que con todas las apuestas sensatas, un alto riesgo se acompaña de la posibilidad de obtener grandes ganancias. Durante los últimos cinco siglos hemos usado el poder de la observación y el cálculo matemático para hacer añicos las falsas ideas. Desde un pequeño y pintoresco universo centrado en la Tierra hasta uno lleno de miles de millones de galaxias, el viaje ha sido tan emocionante como humillante. Fuimos obligados a renunciar a la creencia sagrada en nuestro propio carácter central, pero con tamaña demolición cósmica hemos demostrado que la capacidad del intelecto humano se extiende más allá de los confines de la experiencia ordinaria para revelar verdades extraordinarias. La propuesta del multiverso podría ser errónea. Pero también podría ser el siguiente paso en este viaje, revelando un pasmoso panorama de universos que habitan un vasto panorama cósmico. Para algunos científicos, y me incluyo entre ellos, esa posibilidad hace que el riesgo bien valga la pena.