homogeneidad cosmológica

Una gota de tinta se dispersa en un vaso de agua: sus bordes se mueven más rápido que el centro y la forma de la gota cambia. De igual manera, un cúmulo de materia oscura que se contrae bajo su propia gravedad se expande de manera no uniforme: sus distintas capas se alejan a velocidades diferentes.

Si uno mira fijamente por la ventana nocturna, tarde o temprano se topa con la negrura tras la cual no se ve nada. No es solo una valla lejana: es el borde del universo accesible, el horizonte cósmico. La luz de estrellas más distantes simplemente no ha tenido tiempo de llegarnos.

El haz de un reflector se pierde en la oscuridad, pero si lo seguimos hacia atrás, chocamos con la lámpara. Con la historia del universo quizás ocurre lo mismo: al rastrear su expansión hacia atrás, nos topamos con un comienzo. Los físicos tomaron el modelo más simple: un universo que se estira por igual en todas direcciones, como un cubo cuyos lados crecen.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió más rápido de lo que la luz podía cruzarlo. Como un globo que se infla, pero en lugar de goma, el propio espacio. En este globo inevitablemente aparecían ondas: diminutas compresiones y rarefacciones de las que luego surgieron todas las galaxias y estrellas.

Un péndulo en una habitación ruidosa recibe constantemente empujones de la gente que pasa. Su movimiento es una mezcla de oscilaciones regulares y sacudidas aleatorias. Algo similar les sucede a las débiles ondas gravitacionales en el contexto de un universo en expansión.

El modelo estándar de la física de partículas es un catálogo de todos los ladrillos conocidos del universo: electrones, quarks y otros. Pero no dice nada sobre la materia oscura y no se lleva bien con la gravedad. El nuevo trabajo da un paso audaz: a cada ladrillo del catálogo se le añade su reflejo especular con rotación opuesta.

Los primeros tres minutos después del nacimiento del mundo son una cocina cósmica donde la naturaleza preparaba los núcleos atómicos más ligeros. La receta la dicta la gravedad: controla el ritmo de enfriamiento del caldo caliente de partículas.

La onda cuántica se asemeja a una fotografía de larga exposición: todo está borroso, pero es precisamente esa borrosidad la que muestra el movimiento. Normalmente, estas ondas congeladas se consideran una abstracción conveniente.

Un corredor que, a mitad de la carrera, de repente cambia a paso ligero: ni acelera ni frena, sino que mantiene un ritmo constante. Algo similar pudo ocurrirle al propio universo poco después del Big Bang. Esta fase se denominó «estasis», de la palabra griega que significa «detención».

En matemáticas existe un tamiz que no cierne polvo, sino el infinito mismo. Se llama Q-espacio: aquí cualquier conjunto resulta ser un conjunto Gδ — intersección contable de abiertos, como tamizado a través de una red de malla increíblemente fina.

El principio cosmológico —la afirmación de que el Universo a gran escala es homogéneo e isótropo— ha custodiado nuestra comprensión del mundo desde los tiempos de Edwin Hubble y Georges Lemaître, cuyas ideas sentaron las bases del modelo del Big Bang.

Desde pequeños nos acostumbramos a pensar que el espacio es infinito e isótropo. Pero Einstein y Lemaître ya se preguntaban: ¿no estará el Universo cerrado sobre sí mismo, como una cinta de Möbius o un toro tridimensional?

Un constructor no comprueba la resistencia de un arco repasando mentalmente todas sus formas posibles, sino desplazándolo ligeramente en su imaginación y viendo cuánta fuerza se gasta en ello. Así funciona aproximadamente el principio del trabajo virtual en mecánica.

A principios del siglo XX, Albert Einstein demostró que la gravedad es la curvatura del espacio y del tiempo. Poco antes, James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo en una sola teoría.

El universo se parece a un bosque denso: de cerca se ven árboles-galaxia individuales, agrupados en arboledas, pero desde lejos todo se funde en un verde continuo. El límite a partir del cual el cosmos se vuelve homogéneo se llama escala angular de homogeneidad: es el tamaño de la porción de cielo a partir de la cual las galaxias se distribuyen uniformemente.

Una fotografía de muy alta resolución se puede ampliar durante mucho tiempo — y de repente una cara lisa se descompone en píxeles individuales. Algo parecido, según un nuevo trabajo, ocurre con el propio espacio-tiempo. Los autores han propuesto que los diminutos intervalos de longitud no son «piezas» prefabricadas del universo, sino resultados de mediciones.

Al principio, instantes después del Big Bang, el universo estaba organizado de forma ridículamente simétrica: había tantas partículas como antipartículas. Pero ocurrió un desequilibrio, diminuto como un grano de arena extra en un kilo de azúcar, y todo el mundo que conocemos —estrellas, planetas, personas— surgió de ese excedente.

El café caliente sobre la mesa se enfría: el calor se extiende desde el centro caliente hacia los bordes. De manera similar, sugieren los autores, se comporta el propio universo, solo que a escalas de miles de millones de años luz.

Una gota de miel se extiende lentamente sobre la mesa; el agua, rápido. La resistencia al flujo, la viscosidad, es diferente para cada líquido. Pero, ¿y si la viscosidad cambia sobre la marcha, a medida que la sustancia se comprime o se expande?

La física a menudo se asemeja a la construcción de un barco gigante: el Universo. Los ingenieros-físicos aún no se han puesto de acuerdo sobre los planos básicos.

Cuando dos estrellas muertas colisionan en una galaxia lejana, dos mensajeros nos informan del evento: un estremecimiento del espacio —la onda gravitacional— y un destello de luz. Ambos mensajeros corren hacia nosotros a través del universo, pero sus caminos pueden diferir ligeramente.

Cuando una estrella masiva estrella agota su combustible, el colapso del núcleo puede generar una supernova y una estrella de neutrones, pero si la masa es suficiente, nada detiene la compresión: nace un agujero negro.

En física hay un dolor persistente. La relatividad general describe el origen del Universo como un punto — una singularidad donde las ecuaciones colapsan y el volumen se hace cero. La mecánica cuántica insinúa que en el momento más crítico algo no sucede como predice la física clásica.

Una goma elástica que se estira en direcciones opuestas no se comporta como una hoja de papel entera. Si tiras de un extremo, la deformación no se propaga uniformemente, sino que parece retenerse en ciertas zonas.

Una piedra cae en un estanque. Las ondas se expanden, se atenúan, y pronto la superficie vuelve a estar lisa. Pero, ¿y si el estanque no tuviera orillas, ni fondo, ni siquiera un tamaño de onda característico? En ese mundo —un mundo sin escala— viven los sistemas cuánticos cuando están rodeados por un entorno que no distingue ninguna longitud ni energía.

El cielo nocturno parece liso como la superficie de un lago en calma. Pero si uno se fija en los estallidos de rayos gamma —explosiones breves y cegadoras visibles a través de todo el universo—, en esa superficie se descubren olas. Los científicos tomaron un catálogo de estos estallidos y dividieron el cielo en dos hemisferios.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

Las ecuaciones de Einstein y el modelo de Lemaître llevaban a que el Universo comenzó a partir de un punto infinitamente denso, la singularidad del Big Bang. En ese punto, la física habitual fallaba, dejando el misterio del primer instante.

Si miras un mapa de galaxias lejanas, no es perfectamente uniforme: en un lado del cielo hay un poco más, en el otro un poco menos. Esta inclinación se ha detectado en varios sondeos del cielo y no parece aleatoria. Por lo general se explica diciendo que nuestra propia galaxia se mueve en alguna dirección, y por eso los objetos lejanos parecen desplazados.

En invierno, el lago se cubre de hielo, y este simple proceso resulta ser un modelo vivo del Universo en expansión. El grosor del hielo aumenta según la misma ley matemática que las distancias entre galaxias lejanas. El secreto está en el movimiento del agua bajo la costra de hielo.

En una habitación de hospital hay +40°C, en otra +10°C, y en promedio tenemos +25°C. Si la temperatura influyera de forma no lineal en algo —por ejemplo, en la tasa de reproducción de las bacterias—, el valor promedio daría un pronóstico incorrecto.

El nacimiento del Universo suele asociarse con el Big Bang, un punto de densidad infinita. Pero en ese punto las leyes de la física se rompen, lo cual no satisface a los científicos. Stephen Hawking y James Hartle propusieron en los años 80 una visión distinta: el tiempo no tiene frontera, como la superficie de un globo terráqueo.

El mundo de la física funciona como una caja de música: tiene un regulador de velocidad. Si lo giras lentamente, la melodía es estricta: las bolas ruedan por trayectorias definidas (mecánica clásica). Aceleramos y las notas se funden en un acorde: la partícula está en muchos sitios a la vez, puras probabilidades (modo cuántico).

En las regiones casi vacías del cosmos, las galaxias giran armoniosamente, como bailarines de una misma compañía. Esta danza crea una diferencia en la luz desde lados opuestos: de un lado estiramiento, del otro compresión.

Las galaxias del universo no están dispersas al azar: las vecinas se mueven en la misma dirección, como un banco de peces, mientras que las lejanas van cada una por su cuenta. Dónde está el límite entre 'juntas' y 'por separado' no estaba claro hasta ahora.

El Universo temprano estaba lejos de ser perfecto: algunas regiones se estiraban más rápido que otras, creando pliegues y distorsiones. Pero el rebote cuántico —la transición de contracción a expansión, causada por las leyes del micromundo— lo corrige todo.

En los primeros instantes después del Big Bang, el espacio se expandía a una velocidad increíble. Una diminuta ondulación cuántica, incrustada en el propio principio de incertidumbre, empujaba la materia con más fuerza que cualquier fuerza conocida. Esa ondulación es el principio de incertidumbre generalizado, o GUP.