Ahora mismo puede que alguien como tú también esté empezando a leer un artículo en su revista favorita. Esa persona tendría la misma familia y los mismos amigos que tú, compartiría tus mismas aficiones y viviría en la misma casa de la misma ciudad. La única diferencia es que este doble tuyo viviría en otro universo, una réplica exacta del nuestro y estaría tan lejos que jamás podríamos comunicarnos con él de ninguna manera. Por extraño que parezca, esta idea ha encandilado a un buen número de físicos teóricos y cosmólogos durante la última década: la posibilidad de que nuestro universo no sea el único que existe, sino uno entre una multitud. No habría pues un solo universo, sino un universo múltiple o “multiverso”. Algunos universos tendrían las mismas leyes de la física que conocemos y serían, en esencia, muy parecidos al nuestro. En otros, los valores de las constantes fundamentales podrían cambiar, dando lugar a universos muy diferentes. Incluso podría haber universos con leyes físicas desconocidas y estructuras que pondrían a prueba la imaginación humana.
El sentido del universo
La palabra “universo” proviene del latín universus y está compuesta de unus (uno) y versus (que gira, que da vueltas); es decir, uno y todo lo que le rodea. Tradicionalmente, el universo se considera sinónimo de “todo lo que existe” o “todo lo que hay”. En las últimas décadas, sin embargo, este significado ha adquirido un matiz distinto, gracias a nuestro mayor conocimiento de las leyes que gobiernan el cosmos. Hoy tenemos que admitir que incluso con la tecnología más sofisticada, sólo somos capaces de ver una pequeña porción del universo: aquella cuya luz ha llegado hasta nosotros. En este sentido, el universo sería equivalente más bien a “todo lo que podemos ver”. Nuestro universo observable tiene un límite que se llama horizonte cósmico. Los objetos situados en ese horizonte son los más lejanos que alcanzamos a ver. Su luz partió hacia nosotros poco después del nacimiento del universo, hace unos 13 800 millones de años. Desde nuestra posición, el horizonte cósmico delimita una enorme esfera que encierra el universo observable. Es lo que se conoce como burbuja de Hubble.
¿De qué tamaño es nuestra burbuja de Hubble? En un universo estático sería muy sencillo calcular la distancia a la que se encuentra el horizonte. Como la luz ha tenido 13 800 millones de años para viajar, los objetos más lejanos visibles estarían a 13 800 millones de años luz. Pero nuestro universo no es estático, sino que está en expansión. El propio espacio se expande, separando las galaxias unas de otras como si estuvieran en la superficie de un globo que se hincha. Esto implica que, mientras la luz recorre esta descomunal distancia, el objeto que la emitió sigue alejándose. Cuando recibimos su luz, el objeto no se encuentra a 13 800 millones de años luz, sino mucho más lejos. Según los cálculos, los objetos más lejanos que podemos ver actualmente están a unos 42 000 millones de años luz. La luz procedente de objetos que se encuentran a una distancia mayor no ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros. Esos objetos están más allá de nuestro horizonte cósmico.
Los datos apoyan la idea de que el espacio continúa más allá de los límites de nuestro universo observable. Estos mismos datos indican que el espacio está uniformemente lleno de materia a grandes escalas.
Al horizonte y más allá
La burbuja de Hubble marca, por tanto, la frontera de nuestro universo observable, pero eso no significa que todo termine ahí. Más allá debe haber regiones cuya luz nunca nos alcanzará, como islas separadas por un vasto océano de espacio y tiempo (posiblemente un océano infinito). Cada uno de estos dominios, tan apartados que es imposible tener contacto con ellos, sería como otro universo. Ésta es la versión más simple de la idea de multiverso, conocida como “multiverso de nivel I”. En este hipotético escenario, cada uno de los universos paralelos habría empezado con una distribución diferente de materia y podría haber evolucionado de manera distinta, pero todos tendrían las mismas leyes de la física que nuestra burbuja de Hubble. Los satélites WMAP y Planck han estudiado durante la última década la radiación de fondo de microondas, un residuo del Big Bang que impregna todo el espacio. Los datos apoyan la idea de que el espacio continúa más allá de los límites de nuestro universo observable. Estos mismos datos indican que el espacio está uniformemente lleno de materia a grandes escalas, lo que significa que los otros universos tienen que parecerse en líneas generales al nuestro. Todo esto encaja con un multiverso de nivel I. Si aceptamos que vivimos en este multiverso, entonces podemos llegar a una sorprendente conclusión: puede que al menos uno de sus incontables universos sea idéntico al nuestro. Consideremos nuestra burbuja de Hubble, con todas las partículas de materia. Según las estimaciones, nuestro universo observable tiene sitio para 10118 partículas. ¿Cuántas disposiciones diferentes de las partículas son posibles? De acuerdo con los cálculos del físico Max Tegmark, este número es del orden de 2 elevado a la potencia de 10118. Aunque esta cantidad es descomunal, es finita. Esto implica que la configuración de las partículas debe repetirse en alguna parte, siempre que el multiverso sea lo suficientemente grande. Tegmark ha estimado que habrá un universo gemelo al nuestro a una distancia de 10 elevado a la potencia de 10118 metros de nosotros (un 1 seguido de 10118 ceros). En ese remoto lugar, una réplica tuya está levantando los ojos de una revista con la misma cara de asombro.
Tradicionalmente, el universo se considera sinónimo de “todo lo que existe” o “todo lo que hay”, sin embargo en las últimas décadas este significado ha adquirido un matiz distinto.
Universos-burbuja
Ahora retrocedamos en el tiempo 13 800 millones de años hasta el Big Bang. Exactamente 10-36 segundos después del nacimiento del universo ocurrió algo extraordinario: durante apenas un instante, el cosmos se expandió exponencialmente, aumentando de tamaño 1030 veces. Esto implica que una región del espacio del tamaño de un frijol se estiraría hasta alcanzar un tamaño mayor que nuestro universo observable. Y todo en una milésima de billonésima de trillonésima de segundo. Este suceso es lo que se conoce como inflación cósmica. Fue propuesta por el físico estadounidense Alan Guth en 1981 para explicar algunas características de nuestro universo. Aunque nadie sabe aún con certeza qué mecanismo pudo haberla provocado, hoy es aceptada por la gran mayoría de los científicos (véase ¿Cómo ves? No. 186). Y en cuanto al tema que nos ocupa, el universo inflacionario es la semilla de la que nace el llamado “multiverso de nivel II”.
En muchas versiones de la teoría inflacionaria, la rápida expansión espacial que impulsó a nuestra región del universo no sería un acontecimiento único, sino que se podría repetir una y otra vez. Como un niño que hace burbujas de jabón, la inflación cósmica generaría de forma aleatoria nuevos universosburbuja. Cada uno estaría aislado de los demás, sin posibilidad de conectarse de ninguna manera, y sus características podrían ser muy distintas. Los expertos piensan que las propiedades de las partículas elementales y los valores de las constantes fundamentales de la física surgieron durante la inflación. Distintos procesos inflacionarios podrían dar lugar, por tanto, a universos muy diferentes. La gran mayoría serían vacíos y aburridos. Si la fuerza electromagnética fuera un poco mayor, el hidrógeno no se fusionaría en el interior de las estrellas y éstas no llegarían a formarse. Si la fuerza gravitatoria fuera algo menor, la materia se habría dispersado sin llegar a formar galaxias. Si los protones fueran un poco más pesados, se desintegrarían en neutrones y no habría átomos. En esos otros universos no existiría, como sí existe en el nuestro, la combinación exacta que hace posible la formación de estructuras complejas, entre ellas la vida.
Una rama de la física donde surge de forma natural la noción de multiverso es la teoría de cuerdas.
Membranas gigantescas
Otra rama de la física donde surge de forma natural la noción de multiverso es la teoría de cuerdas. Desde su aparición, a mediados de la década de 1980, la teoría de cuerdas es la candidata más prometedora —si no la única— para la teoría de todo (véase ¿Cómo ves? No. 108). Según la teoría de cuerdas, todo lo que hay en el universo está compuesto por unos diminutos hilos de energía. Estas cuerdas vibran de diferentes maneras, como las de un violín, para formar las partículas elementales. Esta elegante teoría tiene, sin embargo, un requisito sorprendente: necesita siete dimensiones espaciales más de las que vemos.
La teoría de cuerdas no sólo incluye cuerdas, sino otros objetos más grandes, unas especies de membranas. Éstas podrían tener más de tres dimensiones, y no estarían limitadas en tamaño, como las cuerdas. Si contaran con la energía suficiente, podrían alcanzar un tamaño descomunal, tan grande como nuestro universo. Algunos teóricos proponen que nuestro universo podría estar dentro de una membrana tridimensional. Si esta idea es correcta, entonces ¿por qué no vemos la membrana? La respuesta de la teoría de cuerdas es que los fotones, las partículas de la luz, estarían atrapados en la membrana; podrían moverse libremente por ella, pero no podrían salir. Así, la membrana parece completamente transparente e invisible. Por el mismo motivo, no podríamos ver ninguna de las dimensiones extras que predice la teoría, ni tampoco otras membranas que flotaran en un espacio de más dimensiones. Todos estos posibles universos, que también conformarían un multiverso de nivel II, podrían estar ahí mismo, a nuestro lado, mucho más cerca de lo que sospechamos.
Aunque algunos físicos tienen depositadas muchas esperanzas en la teoría de cuerdas, lo cierto es que nadie ha visto todavía indicios de las dimensiones extra, y menos aún una membrana o una cuerda.
¿Ciencia o ciencia-ficción?
Pese a todo, algunos cosmólogos han sugerido posibles indicios de la realidad del multiverso. Si viviéramos en un multiverso de nivel II, otro universoburbuja podría haber chocado contra el nuestro y el rastro de este catastrófico suceso debería haber quedado impreso en la radiación cósmica que impregna el cielo. Encontrar esta señal supondría un buen argumento a favor de la existencia de otros universos.
Otra posibilidad sería medir la forma, o la geometría, del espacio. Las opciones que se barajan son: esférico, plano o hiperbólico —como una silla de montar—. Una esfera ocupa un volumen finito, lo que no encajaría con un multiverso de nivel I. Los datos astronómicos recopilados hasta la fecha indican que el universo observable es plano, aunque esto tampoco sería definitivo. Igual que la Tierra parece plana en nuestra vida cotidiana, el universo podría exhibir una geometría diferente más allá de nuestro horizonte cósmico.
Estos indicios a favor o en contra del multiverso no serían, en ningún caso, pruebas concluyentes. Quizás haya que esperar a que se confirme alguna de las teorías que predicen un multiverso, en especial la teoría de cuerdas.
Los mundos de la mecánica cuántica
La mecánica cuántica ofrece otro camino al multiverso. Pensemos en el famoso gato de Schrödinger (véase ¿Cómo ves? No. 8), un gato encerrado en una caja con un matraz de veneno y una fuente radiactiva. Si la fuente emite radiación, el matraz se abre y el gato muere. Si no, el gato sobrevive. De acuerdo con la mecánica cuántica, antes de hacerse la observación el gato está vivo y muerto al mismo tiempo, en una superposición de ambos estados. ¿Cómo se pasa de esta situación a lo que luego se observa al abrir la caja? Para explicar este extraño misterio, el físico danés Niels Bohr, entre otros, afirmó que la función de onda — la función matemática que describe a un sistema cuántico— se “colapsaba”, es decir, se reducía a un resultado concreto (“vivo” o “muerto”) al abrir la caja y constatar el estado del gato. Esto es lo que hoy se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica (véase ¿Cómo ves? No. 78), pero no es la única posible.
En 1954, un estudiante graduado de la Universidad de Princeton, Hugh Everett III, dedicó su tesis a revisar el problema del supuesto colapso de la función de onda. Everett consideró una “función de onda universal” que englobara al objeto de la medida, al aparato de medida y al observador. Everett llegó a la conclusión de que todos los elementos de una superposición (el gato vivo y el gato muerto) son igual de reales. Según Everett, lo que ocurre al abrir la caja es que el universo se divide en dos. En un universo el gato está vivo, mientras que en otro está muerto. Y en ambos universos hay una copia tuya que es testigo de uno u otro resultado, una copia que piensa que su realidad es única. No percibimos estas superposiciones en nuestro entorno porque sólo somos conscientes de lo que hay en una copia de este multiverso cuántico, o multiverso de nivel III.
El trabajo de Everett, que luego se conocería como la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica, pasó en su momento sin pena ni gloria. Al poco, Everett abandonó la academia y trabajó en el sector militar e industrial; murió cuando sólo tenía 51 años. Hoy en día existe un enorme respeto por las ideas de Everett, sobre todo entre los cosmólogos.
Los universos paralelos según Tegmark
I Multiverso simple
Regiones más allá de nuestro universo observable. Si el universo es infinito, podría haber otras burbujas de Hubble idénticas a las nuestras.
II Multiverso inflacionario
Burbujas del espacio-tiempo surgidas de distintos procesos inflacionarios dan lugar a universos muy diferentes.
III Multiverso cuántico
Cada vez que la naturaleza tiene que optar por un desenlace en vez de otro (por ejemplo, cuando se echa un volado), en realidad no opta, sino que se divide en dos universos paralelos, uno por cada desenlace.
IV Multiverso matemático
Universos surgidos de otros Big Bang y con leyes de la física distintas a las del nuestro.
Aunque resulta fascinante, hay que admitir que la idea del multiverso es muy especulativa.
Un multiverso matemático
En los multiversos que hemos considerado, las leyes fundamentales de la naturaleza siguen siendo las mismas. En todos podríamos seguir usando las leyes del movimiento de Newton, por ejemplo. Pero, ¿por qué no permitir que varíen las leyes de la física? En lugar de describir una elipse, la trayectoria de los planetas alrededor del Sol podría ser mucho más compleja si la fuerza gravitatoria no fuese inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. El multiverso de nivel IV estaría formado por todos los universos posibles con leyes de la física distintas. Aunque no está claro de qué forma podrían cambiarse las leyes, hagamos un ejercicio de imaginación. Supongamos que en el futuro existe una civilización capaz de crear universos en el laboratorio, escogiendo las leyes que los gobiernan como quien cambia los ingredientes de una receta. El principal inconveniente es que no habría evidencias de su creación. Por muy pequeño que sea, un universo en expansión genera nuevo espacio más allá del nuestro y no lo podríamos ver. ¿Qué sentido tendría entonces crear un universo, si no habría forma de interactuar con él, y ni siquiera sabríamos con seguridad si nuestro experimento tuvo éxito?
Otra opción sería olvidarnos de los universos reales y considerar en su lugar los virtuales. La realidad virtual ya está empezando a invadir nuestra vida cotidiana, con juegos como Pokémon Go. No sería extraño que dentro de un siglo, una civilización fuese capaz de crear universos virtuales mediante supercomputadoras, al más puro estilo Matrix.
Aunque resulta fascinante, hay que admitir que la idea del multiverso es muy especulativa.Una buena parte de la comunidad científica se pregunta si el estudio de universos paralelos puede considerarse siquiera como una rama de la ciencia. Después de todo, ésta se basa en la verificación experimental. Gracias al método científico, la ciencia descansa en hechos y resultados, y no en creencias. Si nunca vamos a obtener pruebas directas de otros universos, ¿no estamos abandonando la razón fundamental del éxito de la ciencia?
Daniel Martín Reina es físico y colaborador habitual de ¿Cómo ves? Actualmente es miembro del grupo de Investigación de Instrumentación Electrónica y Aplicaciones de la Universidad de Sevilla, España. Escribe el blog de divulgación La aventura de la ciencia: http://laaventuradelaciencia.blogspot.mx
Más información
Sánchez Ramos, Saúl, Desenredando las (teorías de) cuerdas, Instituto de Física, UNAM, México.
Wolf, Fred Alan, Universos paralelos: la búsqueda de otros mundos, Ellago Ediciones, España, 2010.
Hacyan, Shahen, El gato de Schrödinger, Micromegas-UNAM, México, 2000.http://www.comoves.unam.mx/
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