Las leyes de la física no pueden describir el estado del universo antes de 10−43 segundos después del Big Bang, a pesar de lo que afirman algunos teóricos de la teoría de cuerdas. Por esta razón, la siguiente descripción comienza después de este momento. De hecho, comienza después, por un período de tiempo suficiente como para que el universo se enfríe y permita la formación de las partes de los átomos que conocemos. La descripción continúa hasta que llegamos a la actualidad. Debemos tener en cuenta que esta descripción no es más que información basada en ecuaciones matemáticas, datos de observación y mediciones de nuestro universo actual. En este universo, también hemos observado algunos eventos del pasado lejano y cercano. Cuando miramos hacia las profundidades del universo, encontramos eventos que se remontan más atrás en el tiempo, porque, como sabemos, se mueven a una velocidad fija, aunque se trate de la velocidad de la luz. Es por esta razón que estos eventos nos llegan después del momento en el que ocurren, en un período directamente proporcional a la distancia entre ellos y nosotros.

Vamos a contar nuestra historia tal como ocurrió en una serie de eventos poco después del comienzo hasta el día de hoy. Sin embargo, los cosmólogos no aprendieron o no leyeron esta historia tal como sucedió. Más bien, la forma en que leen y aprenden es más parecido a leer un libro de principio a fin. Esta lectura inversa puede estar impregnada de lecturas de la mitad de la historia. Esto se debe a que, como hemos aclarado previamente, mientras más distantes sean los acontecimientos de nosotros, más tarde entrarán en contacto con nosotros.

En física teórica, llegamos a la conclusión de que, en el comienzo, o antes de los 10−43 segundos (es decir, en torno al tiempo de Planck), el universo era tan pequeño, que para que los físicos entendieran la manera en que se comportaba, necesitaban una teoría y un ecuación que combinara la teoría de la relatividad general de Einstein —que describe el universo y los grandes objetos que contiene, como las estrellas y los planetas— con la teoría cuántica de Planck —que describe las cosas que son infinitamente pequeñas, como los fotones y los electrones.

A esta temperatura pasaría todo género de cosas extrañas. No solamente las fuerzas gravitacionales habrían sido fuertes y la producción de partículas por campos gravitacionales copiosa, sino que la idea misma de «partícula» no habría tenido aún ningún sentido. El «horizonte», la distancia más allá de la cual es imposible haber recibido ninguna señal (véase p. 44), habría sido en ese tiempo más cercano que una longitud de onda de una partícula típica en equilibrio térmico. Hablando vagamente, ¡cada partícula sería casi tan grande como el universo observable! (Weinberg 1993, “Los tres primeros minutos del universo” 146).

Hasta ahora, la teoría del todo, o la ecuación que describe lo infinitamente grande (el universo) y lo infinitamente pequeño (partículas cuánticas) no existe en una forma que los físicos teóricos y los cosmólogos acepten por completo. Existe la teoría M, que es una teoría en proceso, y puede ser que tenga que ser ajustada y pasar algunas pruebas para que sea validada. Hasta la fecha, la teoría M sigue siendo una ecuación que está bien demostrada matemáticamente. La teoría M o la teoría de supercuerdas será discutida más adelante.

Entender el comportamiento del espacio, el tiempo, la materia y la energía desde el Big Bang hasta hoy es uno de los grandes triunfos del pensamiento humano. Si buscamos una explicación completa de los sucesos de los primeros momentos, cuando el universo era más pequeño y caliente de lo que lo ha sido después, hemos de hallar la manera de que las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza —la gravedad, el electromagnetismo, y las fuerzas nucleares débil y fuerte— hablen entre sí, se unifiquen y lleguen a ser una sola metafuerza. También deberemos encontrar el modo de reconciliar dos ramas de la física actualmente incompatibles: la mecánica cuántica (la ciencia de lo pequeño) y la relatividad general (la ciencia de lo grande).

Espoleados por el feliz matrimonio de la mecánica cuántica y el electromagnetismo a mediados del siglo XX, los físicos se pusieron en marcha enseguida para combinar la mecánica cuántica y la relatividad general en una teoría única y coherente de la gravedad cuántica. Aunque hasta ahora han fracasado todos, ya sabemos dónde están los principales obstáculos: en la «era Planck», la fase cósmica de hasta 10–43 segundos (una diez millonésima-billonésima-billonésima-billonésima de segundo) después del comienzo. Como la información no puede viajar a una velocidad superior a la de la luz, 3 x 108 metros por segundo, un observador hipotético situado en cualquier lugar del universo durante la era Planck no podría ver más allá de 3 x 10–35 metros (tricentésima mil millonésima-billonésima-billonésima parte de un metro).

El físico alemán Max Planck, que da nombre a estos tiempos y distancias inconcebiblemente pequeños, propuso en 1900 la idea de «energía cuantificada»; se le considera el padre de la mecánica cuántica.

De todos modos, que nadie se preocupe de momento por la vida cotidiana. El choque entre la mecánica cuántica y la gravedad no plantea problemas prácticos en el universo contemporáneo. Los astrofísicos aplican los principios y las herramientas de la relatividad general y la mecánica cuántica a problemas completamente distintos. Pero al principio, durante la era Planck, lo grande era pequeño, por lo cual debió de haber alguna clase de boda de penalti entre las dos. Pero, ay, como las promesas intercambiadas durante la ceremonia siguen siéndonos esquivas, ninguna ley (conocida) de la física describe con suficiente solidez cómo se comportó el universo durante la breve luna de miel, antes de que su expansión obligara a lo muy grande y lo muy pequeño a separarse.

Al final de la era Planck, la gravedad se libró de las otras fuerzas de la naturaleza, todavía unificadas, y alcanzó una identidad independiente muy bien descrita por las teorías actuales. Cuando el universo envejeció y superó los 10–35 segundos, continuó expandiéndose y enfriándose, y lo que quedaba de las antaño unificadas fuerzas se dividió entre la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte. Más adelante, la fuerza electrodébil se escindió entre las fuerzas electromagnética y nuclear débil, lo que dejó al descubierto cuatro fuerzas familiares y diferenciadas: la fuerza débil que controla la desintegración radiactiva, la fuerza fuerte que une las partículas de cada núcleo atómico, la fuerza electromagnética que mantiene juntos a los átomos en las moléculas, y la gravedad que sujeta la materia en grandes cantidades. Para cuando el universo hubo envejecido hasta superar la billonésima de segundo de vida, sus fuerzas transformadas, junto con otros episodios críticos, ya habían conferido al cosmos sus propiedades fundamentales, cada una digna de su propio libro (Tyson 2004, “Orígenes” 17-18).

Podemos resumir lo que nos preocupa de la historia del universo que se inicia poco después del comienzo de la siguiente manera:

Después del Big Bang, llegamos a tener un universo caliente. Después de enfriarse ligeramente, en fracciones de segundo, se componía de leptones, quarks, antiquarks, bosones y fotones. Sin embargo, los quarks y los leptones superan en número a sus antipartículas en uno por mil millones, lo cual significa que la materia supera a la antimateria. Este número en exceso es la razón detrás de la existencia de las estrellas y los planetas, así como de nuestros cuerpos.

Una fracción de millonésima de segundo más tarde, el universo se enfrió un poco más y permitió que los quarks se combinen y se cohesionen. De esta manera los quarks se combinan juntos, formando partículas de material más pesadas que los leptones llamadas hadrones (tales como protones y neutrones). En consecuencia, se formaron antihadrones, pero en una proporción igual a la de quarks y antiquarks. Así que hubo un aumento de uno a mil millones a favor de los hadrones o materia, sobre la antimateria. A medida que el universo continuó expandiéndose y enfriándose, y la energía de los fotones declinó en consecuencia, la energía de los fotones ya no fue suficiente para producir hadrones y antihadrones. Como resultado, solo quedó el exceso de material, lo que significa que siguió habiendo un hadrón por cada mil millones que se desvanecieron en favor de mil millones de fotones que tienen menos energía que antes. Este es el resultado de la expansión del universo (materia y energía) entre el primer segundo y el final del segundo segundo después del comienzo del Big Bang.

Sin embargo, durante este tiempo, el calor del universo (y, en consecuencia, la energía de los fotones) fue suficiente para producir electrones y positrones (antielectrones). Una vez que el universo (la materia y la energía) continuó expandiéndose y enfriándose, alcanzó una temperatura por debajo de la temperatura umbral de los electrones, y la energía de los fotones ya no fue suficiente para producir electrones y positrones. En este punto, lo mismo que les sucedió a los hadrones en el pasado les sucedió a los electrones y positrones. La materia (los electrones) y la antimateria (los positrones) se aniquilaron y el exceso de materia permaneció, lo que previamente dijimos es una parte en mil millones. Por lo tanto, un electrón se mantuvo por cada mil millones de pares de electrones y positrones que desaparecieron.

Ahora tenemos hadrones (protones y neutrones) y electrones en el universo, y ellos son las estructuras fundamentales de los átomos. A medida que el universo continuó enfriándose, permitió que los hadrones se combinen y se cohesionen en los primeros minutos y formen los núcleos de hidrógeno, helio y otros elementos ligeros, como el hidrógeno pesado.

Cientos de miles de años después, cuando el universo se enfrió aún más, alcanzó una temperatura inferior a 3000 K. Esto permitió la formación de átomos de hidrógeno y helio a partir de núcleos y electrones que flotaban libremente en el universo (que se había formado previamente, como hemos explicado anteriormente). Además, el universo se volvió translúcido, permitiendo la visión a medida que los electrones se confinaban en los átomos, y los fotones comenzaban a moverse libremente después de que los electrones salieron de su camino. En este punto, llegamos al surgimiento del universo material que vemos. Con respecto a los otros elementos, todavía se producen y se cocinan continuamente en el proceso de la quema nuclear de hidrógeno y helio o la reestructuración y la reforma de átomos en estrellas en combustión o en explosión.

A medida que se producía la expansión, iba disminuyendo la energía transportada por cada fotón. A la larga, más o menos cuando el joven universo cumplió trescientos ochenta mil años, la temperatura disminuyó por debajo de los 3000 grados, con el resultado de que protones y núcleos de helio podían capturar electrones de manera permanente, con lo cual introducían átomos en el universo. En eras anteriores, cada fotón había tenido energía suficiente para descomponer un átomo recién formado, pero ahora los fotones habían perdido esta capacidad gracias a la expansión cósmica (Tyson 2004, “Orígenes” 27).

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Figura 29: Las etapas del surgimiento del universo, desde el Big Bang hasta el presente. Referencia: ESA – Agencia Espacial Europea

Extracto del libro “La Ilusión del Ateísmo” de Ahmed AlHasan (a)

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