Los cosmólogos, como los historiadores, saben que la clave del futuro radica en el pasado. En el último capítulo, expliqué cómo las leyes de la termodinámica parecen indicar un universo de longevidad limitada. Los científicos tienen la opinión casi unánime de que todo el cosmos se originó hace diez mil millones o veinte mil millones de años en una gran explosión y que este acontecimiento puso al universo en el camino hacia su destino definitivo. Teniendo en cuenta cómo comenzó el universo, e investigando los procesos que se dieron en la fase primitiva, pueden extraerse pistas cruciales acerca del futuro lejano.
La idea de que el universo no ha existido siempre está profundamente arraigada en la cultura occidental. Aunque los filósofos griegos consideraron la posibilidad de un universo eterno, todas las religiones occidentales principales han sostenido que el universo fue creado por Dios en un determinado momento.
La argumentación científica a favor de un origen brusco en una gran explosión es irresistible. La evidencia más directa proviene del estudio de las cualidades de la luz de las galaxias lejanas. En los años 20, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble (trabajando sobre las pacientes observaciones de Vesto Slipher, un experto en nebulosas que trabajaba en el observatorio Flagstaff de Arizona) cayó en la cuenta de que las galaxias lejanas parecían ser un poco más rojas que las más cercanas. Hubble utilizó el telescopio de 2,5 metros de Mount Wilson para medir con cuidado ese enrojecimiento, hasta obtener una gráfica. Descubrió que se trataba de una cuestión sistemática: cuanto más lejos está una galaxia, más roja parece.
El color de la luz está relacionado con su longitud de onda. Dentro del espectro de la luz blanca, el azul se encuentra en el extremo de las ondas más cortas y el rojo en el extremo de las ondas más largas. El enrojecimiento de las galaxias distantes indica que la longitud de onda de su luz se ha estirado. Determinando cuidadosamente las posiciones de las líneas características del espectro de muchas galaxias, Hubble pudo confirmar que el alargamiento de las ondas de luz se debe a que el universo se está expandiendo. Con esta declaración trascendental, Hubble puso los cimientos de la moderna cosmología.
La naturaleza del universo en expansión produce confusión en muchas personas. Desde el punto de vista de la Tierra, parece que las galaxias distantes se alejaran rápidamente de nosotros. Sin embargo, eso no significa que la Tierra esté en el centro del universo; la tasa de expansión es (por término medio) la misma en todo el universo. Todas las galaxias (o para ser más precisos, todos los cúmulos de galaxias) se están alejando unas de otras. Lo cual se visualiza mejor como el estiramiento o la hinchazón del espacio entre los cúmulos galácticos y no tanto como el movimiento de cúmulos galácticos por el espacio.
El hecho de que el espacio pueda estirarse puede parecer sorprendente, pero se trata de un concepto que lleva siendo familiar a los científicos desde 1915, año en que Einstein hizo pública su teoría general de la relatividad. Esta teoría indica que la gravedad es en realidad una manifestación de la curvatura o distorsión del espacio (o, estrictamente hablando, del espacio-tiempo). En cierto sentido, el espacio es elástico y puede doblarse o estirarse de un modo que depende de las propiedades gravitatorias del material que lo integra. Esta idea se ha visto ampliamente confirmada por las observaciones.
El concepto básico de espacio en expansión puede comprenderse con la ayuda de una analogía sencilla. Imaginemos una hilera de botones, que representan cúmulos galácticos, cosidos a una tira de goma (véase figura 3.1). Imaginemos ahora que estiramos la goma tirando de los extremos. Todos los botones se alejan unos de otros. Sea cual sea el botón que miremos, parecerá que los botones vecinos se alejan de él. Sin embargo, la expansión es la misma en todas partes: no hay un centro que sea un punto especial. Por supuesto que tal y como lo he dibujado hay un botón que está en el centro, pero eso no tiene nada que ver con el modo en que se expande el sistema. Podríamos eliminar tal detalle si la goma con botones fuera infinitamente larga o se cerrara en un círculo.
Desde cualquier botón concreto, los más cercanos a él parecerían alejarse a la mitad de velocidad que el siguiente más alejado, y así sucesivamente. Cuanto más lejos estuviera el botón de nuestro punto de vista, más rápidamente se alejaría. En este tipo de expansión la tasa de alejamiento es proporcional a la distancia: una relación enormemente significativa. Con esta imagen en mente podemos ahora imaginar las ondas de luz que viajan entre los botones, o cúmulos galácticos, en el espacio en expansión. Conforme el espacio se estira, lo mismo ocurre con las ondas. Ello explica el desplazamiento cosmológico hacia el rojo. Hubble descubrió que la cantidad de ese desplazamiento es proporcional a la distancia, como queda ilustrado con esta sencilla analogía gráfica.
Figura 3.1. Modelo unidimensional de un universo en expansión. Los botones representan cúmulos galácticos y la goma elástica representa el espacio. Conforme se estira la goma, los botones se separan unos de otros. El estiramiento sirve para representar la longitud de onda que se propaga a lo largo de la goma. Lo cual se corresponde con el desplazamiento hacia el rojo de la luz descubierto por Hubble.
Si el universo se está expandiendo es que debe haber estado más comprimido. Las observaciones de Hubble, y las que se han hecho desde entonces, muy mejoradas, proporcionan una medida de la tasa de expansión. Si pudiéramos invertir la película cósmica y ponerla al revés, veríamos que todas las galaxias se funden en una en un pasado remoto. Del conocimiento de la tasa actual de expansión, podemos deducir que ese estado de fusión debió darse hace muchos miles de millones de años. Sin embargo, es difícil ser precisos, y por dos razones. La primera es que resulta difícil hacer mediciones con precisión ya que éstas están sujetas a una cierta variedad de errores. Aunque los modernos telescopios han incrementado grandemente el número de galaxias investigadas, la tasa de expansión sigue siendo incierta dentro de un factor de 2, y está sujeta a una viva polémica.
La segunda es que la tasa a la cual se expande el universo no permanece constante en el tiempo. Lo cual se debe a la fuerza de la gravedad, que actúa entre las galaxias y, por supuesto, entre todas las formas de materia y energía del universo. La gravedad actúa como un freno, sujetando a las galaxias en su alejamiento hacia afuera. En consecuencia, la tasa de expansión va disminuyendo gradualmente con el paso del tiempo. De ahí se sigue que el universo debe haberse expandido más rápidamente antes que ahora. Si dibujamos una gráfica del tamaño de una región característica del universo en función del tiempo, obtenemos una curva de la forma general que se indica en la figura 3.2. Por esa gráfica vemos que el universo se inició muy comprimido y que se expandió muy rápidamente, y que la densidad de material ha ido descendiendo con el tiempo al crecer el volumen del universo. Si se traza la curva hasta el origen (que aparece marcado como 0 en la figura) se viene a indicar que el universo comenzó con un tamaño 0 y una tasa infinta de expansión. En otras palabras, ¡el material que compone todas las galaxias que hoy podemos ver surgió de un único punto explosivamente veloz! Ésta es una descripción idealizada del llamado gran pum.
Figura 3.2. La tasa de expansión del universo se decelera progresivamente con el paso del tiempo aproximadamente como muestra la figura. En este sencillo modelo, la tasa de expansión es infinita en el punto marcado como 0 en el eje del tiempo. Es el punto que se corresponde con el gran pum.
Pero ¿tenemos justificación para extrapolar la curva hasta llegar al origen? Hay muchos cosmólogos que creen que sí. Dado que esperamos que el universo haya tenido un principio (por las razones examinadas en el capítulo anterior) da desde luego la impresión de que el gran pum sea ese principio. De serlo, entonces el inicio de la curva señala algo más que una explosión. Recordemos que la expansión representada gráficamente aquí es la del propio espacio, de modo que el volumen cero no significa tan sólo que la materia se viera comprimida a una densidad infinita. Significa que el espacio se vio comprimido a la nada. En otras palabras, el gran pum es el origen del espacio así como de la materia y la energía. Es importantísimo darse cuenta de que según este panorama no hubo un vacío preexistente en el cual se produjera el gran pum.
La misma idea básica es aplicable al tiempo. La frontera del tiempo la marcan también la densidad infinita de la materia y la comprensión infinita del espacio. La razón es que tanto el tiempo como el espacio los estira la gravedad. Este efecto es, a su vez, consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein y se ha comprobado experimentalmente de forma directa. Las condiciones en el gran pum suponen una distorsión infinita del tiempo de tal modo que el mismísimo concepto de tiempo (y de espacio) no puede prolongarse más atrás del gran pum. La conclusión que parece imponérsenos es que el gran pum fue el principio definitivo de todas las cosas físicas: espacio, tiempo, materia y energía. Evidentemente no tiene sentido preguntar (como hacen muchas personas) qué ocurrió antes del gran pum o cuál fue la causa de la explosión. No hubo un antes. Y sin haber tiempo no puede haber causación en su sentido corriente.
Si la teoría del gran pum, con sus extrañas implicaciones para el origen cósmico, se apoyara solamente en las pruebas de la expansión del universo, seguramente la hubieran rechazado muchos cosmólogos. Sin embargo, en 1965 se produjeron pruebas adicionales importantes en apoyo de esa teoría, al descubrirse que el universo está bañado por una radiación térmica. Esta radiación nos llega del espacio con la misma intensidad desde todas las direcciones y lleva viajando más o menos imperturbablemente desde muy poco después del gran pum. Proporciona por eso una instantánea del estado del universo primigenio. El espectro de la radiación térmica se ajusta exactamente al resplandor que existe en el interior de un horno que ha llegado al estado de equilibrio termodinámico: una forma de radiación conocida por los físicos como radiación del cuerpo negro. Nos vemos obligados a deducir que el universo primitivo estuvo en ese estado de equilibrio, con todas sus regiones a una misma temperatura.
Las mediciones de la radiación térmica de fondo revelan que está a unos 3 grados por encima del cero absoluto (el cero absoluto es –273 °C) pero la temperatura cambia lentamente con el paso del tiempo. Conforme se expande el universo, se enfría de acuerdo con una fórmula sencilla: a doble radio, la temperatura baja a la mitad. Este enfriamiento es el mismo efecto que el corrimiento hacia el rojo de la luz: tanto la radiación térmica como la luz consisten en radiaciones electromagnéticas y también la longitud de onda de la radiación térmica se estira conforme se expande el universo. La radiación de baja temperatura consiste en ondas más largas (por término medio) que la radiación de alta temperatura. Viendo la película al revés, como antes, vemos que el universo tuvo que haber estado mucho más caliente. La propia radiación data de unos trescientos mil años después del gran pum cuando el universo ya se había enfriado hasta una temperatura de unos 4 000 °C. En un primer momento, el gas primordial, fundamentalmente hidrógeno, fue un plasma ionizado y por ello opaco a la radiación electromagnética. Con el descenso de la temperatura, el plasma se convirtió en gas de hidrógeno normal (desionizado), que es transparente, permitiendo así que la radiación lo atravesara sin obstáculos.
La radiación de fondo es característica no sólo por la forma de cuerpo negro de su espectro, sino también por su extremada uniformidad en todo el cielo. La temperatura de la radiación sólo varía en una cienmilésima en las distintas direcciones del espacio. Esta homogeneidad indica que el universo debe ser notablemente homogéneo a gran escala, ya que un amontonamiento cualquiera de materia en determinada región del espacio, o en alguna dirección concreta, se revelaría como variación de la temperatura. Por otro lado, sabemos que el universo no es completamente uniforme. La materia se congrega en galaxias y las galaxias suelen formar cúmulos. A su vez, estos cúmulos se organizan en supercúmulos. A la escala de muchos millones de años luz el universo presenta una especie de textura espumosa, con inmensos vacíos rodeados de láminas y filamentos de galaxias.
Ese abultamiento del universo a gran escala debe haber surgido no se sabe cómo a partir de un estado originario mucho más homogéneo. Aunque los responsables pueden haber sido diversos mecanismos físicos, la explicación más plausible parece haber sido la atracción gravitatoria lenta. Si es correcta la teoría del gran pum, podemos esperar ver alguna prueba de esos primeros estados del proceso de agregación impresos en la radiación térmica de fondo cósmica. En 1992, un satélite de la NASA llamado COBE (siglas de «Cosmic Background Explorer»[2]) reveló que la radiación no es precisamente homogénea, sino que alberga ondulaciones inconfundibles, o variaciones de intensidad, de un lugar a otro del cielo. Estas irregularidades diminutas parecen ser los suaves inicios del proceso de formación de supercúmulos. La radiación ha preservado fielmente a lo largo de los eones esa insinuación de las aglomeraciones primordiales y demuestra gráficamente que el universo no siempre ha estado organizado de la manera característica en que hoy lo vemos. La acumulación de materia en galaxias y estrellas es un proceso evolutivo amplio que comenzó con el universo en un estado casi absolutamente uniforme.
Hay una última traza de evidencia que confirma la teoría de un origen cósmico en un punto caliente. Sabiendo la temperatura de la radiación térmica actual, podemos fácilmente calcular que más o menos un segundo después del inicio, el universo tuvo que tener una temperatura de más o menos diez mil millones de grados. Lo cual era todavía demasiado caliente para que existieran núcleos atómicos. En ese momento, la materia debió haber estado troceada en sus componentes más elementales, formando un puré de partículas fundamentales como protones, neutrones y electrones. Sin embargo, al enfriarse el puré, pasaron a ser posibles las reacciones nucleares. Concretamente, los neutrones y los protones pudieron agrupase en parejas, combinándose a su vez estas parejas para formar núcleos del elemento helio. Los cálculos indican que esta actividad nuclear duró unos tres minutos (y de ahí el título del libro de Steven Weinberg) durante los cuales se sintetizó como helio más o menos una cuarta parte de la materia. Con lo cual se agotaron prácticamente todos los neutrones disponibles. Los protones restantes no combinados estaban destinados a convertirse en núcleos de hidrógeno. Por eso predice la teoría que el universo debería consistir en aproximadamente un 75% de hidrógeno y un 25% de helio. Proporciones que están muy de acuerdo con las mediciones que tenemos en la actualidad sobre la abundancia cósmica de estos elementos.
Las reacciones nucleares primordiales produjeron probablemente también cantidades muy pequeñas de deuterio, helio-3 y litio. Los elementos más pesados, sin embargo, que en total constituyen menos del 1% de la materia cósmica, no se produjeron en el gran pum. Por el contrario, se formaron mucho después, en el interior de las estrellas tal y como lo veremos en el capítulo 4.
Tomadas conjuntamente, la expansión del universo, la radiación térmica de fondo cósmica y las proporciones relativas de los elementos químicos son pruebas poderosas a favor de la teoría del gran pum. Quedan sin embargo muchas preguntas por contestar. ¿Por qué, por ejemplo, se está expandiendo el universo a la tasa actual? O, dicho con otras palabras, ¿por qué el gran pum fue así de grande? ¿Por qué fue tan uniforme el universo primitivo y con una tasa de expansión tan parecida en todas direcciones y por todas las regiones del espacio? ¿Cuál es el origen de las pequeñas fluctuaciones de densidad descubiertas por el COBE, fluctuaciones que son cruciales para la formación de galaxias y de cúmulos galácticos?
En los últimos años se han hecho heroicos esfuerzos para abordar estos rompecabezas más profundos combinando la teoría del gran pum con las últimas ideas de la física de partículas de alta energía. Esta «nueva cosmología», insisto, se basa en unos cimientos científicos mucho menos seguros que los aspectos que he examinado hasta ahora. En concreto, los procesos que nos interesan suponen energías partícula muchísimo mayores que las que hayan podido observarse directamente y el tiempo cósmico al que tales procesos se remontan es a una fracción minúscula de segundo después del parto cósmico. En ese momento, las condiciones debieron ser tan extremadas que la única guía disponible por el momento es la remodelización matemática y basada sólo en ideas casi puramente teóricas.
Una conjetura esencial para la nueva cosmología es la posibilidad de un proceso llamado inflación. La idea básica es que en cierto momento de la primera fracción de segundo, el universo aumentó de tamaño de golpe (se infló) en un factor enorme. Para ver qué supone esto, volvamos a mirar la figura 3.2. La curva siempre se dobla hacia abajo indicando que así como el tamaño de cualquier región dada del espacio se incrementa, eso se produce con una tasa decreciente. Por contra, lo que ocurre durante la inflación es que la expansión se acelera. La situación queda representada (aunque no a escala) en la figura 3.3. En un primer momento la expansión se desacelera, pero con el inicio de la inflación remonta con mucha rapidez y la curva se dirige directamente hacia arriba durante un corto trecho. Por último, la curva recupera su curso normal pero en ese lapso el tamaño de la región espacial representada en el gráfico se ha incrementado enormemente (mucho más de lo que aquí se muestra) comparada con la posición equivalente de la gráfica que aparece en la figura 3.2.
Figura 3.3. La situación inflacionaria. En tal situación, el universo da un salto súbito y grande en su tamaño al poquísimo tiempo de originarse en una explosión. La escala vertical está tremendamente comprimida. Después de la fase inflacionaria, la expansión prosigue a un ritmo cada vez más lento, de manera parecida a la mostrada en la figura 3.2.
¿Y por qué iba a comportarse el universo de manera tan curiosa? Recuérdese que la curvatura hacia abajo de la curva se debe a la fuerza atractiva de la gravedad como freno de la expansión. Por ello puede pensarse en la curva hacia arriba como si fuera una especie de antigravedad, o de fuerza repulsiva, que hace que el universo crezca cada vez más deprisa. Aunque la antigravedad parezca una posibilidad chocante, algunas teorías especulativas recientes parecen indicar que tal efecto podría haberse dado en las condiciones extremadas de temperatura y densidad que prevalecían en el universo muy primitivo.
Antes de examinar el cómo, permítaseme explicar por qué una fase inflacionaria ayuda a resolver algunos de los enigmas cósmicos que acabamos de enumerar. En primer lugar, la expansión cada vez mayor puede proporcionar una explicación convincente de por qué el gran pum fue así de grande. El efecto de la antigravedad es un proceso inestable e incontrolado, lo que equivale a decir que el tamaño del universo crece exponencialmente. Matemáticamente, esto significa que una región del espacio dada dobla su tamaño en un periodo determinado de tiempo. Llamemos tic a este periodo. Al cabo de dos tics, el tamaño se ha cuadriplicado; al cabo de tres tics, se ha incrementado ocho veces; la cabo de diez tics, la región se ha expandido más de mil veces. Un cálculo muestra que la tasa de expansión al final de la era inflacionaria es coherente con la tasa de expansión que se observa hoy. (En el capítulo 6, explicaré con más precisión lo que quiero decir con esto).
El enorme salto en tamaño ocasionado por la inflación proporciona además una explicación adecuada para la uniformidad cósmica. Todas las regularidades iniciales se suavizaron al estirarse el espacio, de manera muy parecida a como desaparecen las arrugas de un globo al inflarlo. Del mismo modo, cualquier variación primitiva de la tasa de expansión en distintas direcciones se verían enseguida superadas por la inflación, la cual funciona con la misma energía en todas direcciones. Por último, las ligeras irregularidades reveladas por el COBE podrían atribuirse al hecho de que la inflación no terminara en todas partes en el mismo instante (por motivos que se examinarán en breve) de tal modo que ciertas regiones se habrían inflado algo más que otras, produciendo ligeras variaciones de densidad.
Pongamos algunas cifras. En la versión más sencilla de la teoría inflacionaria, la fuerza inflacionaria (antigravedad) resulta ser fantásticamente poderosa, haciendo que el universo doble su tamaño aproximadamente cada diez mil millonésimas de billonésima de billonésima de segundo (10–34). Este tiempo casi infinitesimal es lo que he llamado un tic. Al cabo de sólo un centenar de tics, una región del tamaño de un núcleo atómico se habría inflado a un tamaño de cerca de un año luz de diámetro. Es lo suficientemente sencillo como para resolver los antedichos enigmas cosmológicos.
Acudiendo a la física de las partículas subatómicas se han descubierto diversos mecanismos posibles que podrían producir un comportamiento inflacionario. Todos estos mecanismos se basan en un concepto conocido como vacío cuántico. Para comprender qué supone esto, hace falta primero saber algo de física cuántica. La teoría cuántica empezó con un descubrimiento sobre la naturaleza de las radiaciones electromagnéticas, como el calor y la luz. Aunque esta radiación se propaga por el espacio en forma de ondas, puede comportarse no obstante como si consistiera en partículas. En concreto, la emisión y absorción de la luz se da en forma de pequeños paquetes (o cuantos) de energía, llamados fotones. Esta extraña amalgama de aspectos ondulatorios y corpusculares, que a veces se llama dualidad onda-corpúsculo, resultó ser aplicable a todas las entidades físicas a escala atómica y subatómica. Así, las entidades que normalmente consideramos partículas (tales como electrones, protones y neutrones) e incluso átomos enteros presentan aspectos ondulatorios en determinadas circunstancias.
Un principio esencial de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg, según el cual los objetos cuánticos no poseen valores netamente definidos para todos sus atributos. Por ejemplo, un electrón no puede tener al mismo tiempo una posición definida y un momento definido. La que nos interesa aquí es la incertidumbre del valor de la energía. Mientras que en el mundo macroscópico de los ingenieros la energía siempre se conserva (no puede crearse ni destruirse) esta ley puede quedar en suspenso en el reino cuántico subatómico. La energía puede cambiar, espontánea e impredeciblemente, de un momento al siguiente. Cuanto más corto sea el intervalo considerado, más grandes serán estas fluctuaciones cuánticas aleatorias. En efecto, la partícula puede tomar prestada energía de la nada, siempre que devuelva el préstamo enseguida. La forma matemática concreta del principio de incertidumbre de Heisenberg exige que un préstamo grande de energía deba devolverse enseguida, mientras que los préstamos pequeños admiten una mayor demora.
La incertidumbre energética lleva a algunos efectos curiosos. Entre ellos, la posibilidad de que una partícula, por ejemplo un fotón, puede aparecer repentinamente de la nada, para disolverse al poco tiempo. Estas partículas viven de energía prestada y por ello mismo de tiempo prestado. No las vemos porque su aparición es fugaz, pero lo que creemos normalmente espacio vacío es en realidad un hormiguero de montones de tales partículas de existencia temporal: no sólo fotones, sino electrones, protones y demás. Para diferenciar estas partículas temporales de las permanentes, las que nos son más familiares, a las primeras se las llama «virtuales» y a las segundas «reales».
Prescindiendo de su naturaleza temporal, las partículas virtuales son idénticas a las reales. De hecho, si se aporta energía suficiente por el medio que sea desde fuera del sistema para liquidar el préstamo de energía de Heisenberg, entonces una partícula virtual puede convertirse en real, indistinguible como tal de cualquier otra partícula real de la misma especie. Por ejemplo, un electrón virtual sobrevive por término medio sólo unos 10–21 segundos. Durante su breve vida no se está quieto, sino que pueden viajar una distancia de unos 10–11 centímetros (como comparación, un átomo tiene un tamaño de unos 10–8 centímetros) antes de desvanecerse. Si el electrón virtual recibe energía durante este breve tiempo (por ejemplo, procedente de un campo electromagnético) no le hará falta desvanecerse después de todo, sino que podrá continuar existiendo como un electrón perfectamente normal.
Aunque no podamos verlos, sabemos que estas partículas virtuales «sí están ahí» en el espacio vacío porque dejan un rastro detectable de sus actividades. Por ejemplo, uno de los efectos de los fotones virtuales es el de producir un cambio diminuto en los niveles de energía de los átomos. También originan un cambio igualmente diminuto en el momento magnético de los electrones. Estas alteraciones minúsculas pero significativas se han medido con mucha precisión utilizando técnicas espectroscópicas.
La imagen sencilla del vacío cuántico dado anteriormente se modifica cuando se tiene en cuenta el hecho de que las partículas subatómicas por lo general no se mueven libremente, sino que están sujetas a una diversidad de fuerzas: el tipo de fuerza depende del tipo de la partícula de que se trate. Estas fuerzas actúan asimismo entre las partículas virtuales. Puede darse entonces el caso de que exista más de un tipo de estado de vacío. La existencia de muchos «estados cuánticos» posibles es un rasgo familiar de la física cuántica: los más conocidos son los diversos niveles de energía de los átomos. Un electrón que orbita alrededor de un núcleo atómico puede existir en determinados estados bien definidos con energías definidas. El nivel inferior se llama estado base y es estable; los niveles superiores son estados excitados y son inestables. Si se hace subir a un electrón a un estado superior, bajará hasta el estado base en una o varias etapas. El estado excitado «decae» con una vida media bien definida.
Al vacío, que puede tener uno o más estados excitados, se le aplican principios similares. Estos estados tendrían energías muy diferentes, aunque lo cierto es que parecerían idénticos: parecerían el vacío. El estado de menor energía, o base, suele llamarse a veces vacío auténtico, por reflejar el hecho de que es el estado estable y el que supuestamente se corresponde con las regiones vacías del universo tal y como lo observamos hoy. Al vacío excitado se le suele llamar falso vacío.
Debería insistirse en que los falsos vacíos siguen siendo una idea puramente teórica y en que sus propiedades dependen en buena medida de la teoría concreta que se invoque. Sin embargo, surgen de forma natural en las teorías más recientes que pretenden unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: gravitación y electromagnetismo, familiares en nuestra vida diaria, y dos fuerzas nucleares de corto alcance llamadas fuerza débil y fuerza fuerte. La lista ha sido más larga: electricidad y magnetismo estuvieron consideradas en tiempos como cosas distintas. El proceso de unificación comenzó a principios del siglo XIX y ha seguido avanzando en las últimas décadas. Hoy se sabe que las fuerzas electromagnética y la nuclear débil están vinculadas y forman una única «fuerza electrodébil». Muchos físicos están convencidos de que la fuerza nuclear fuerte resultará estar vinculada a la fuerza electrodébil, asociación que de un modo u otro describen las llamadas teorías de gran unificación. Bien puede ser que las cuatro fuerzas se fundan en una única super-fuerza a determinado grado de profundidad.
El candidato mejor colocado como mecanismo inflacionario lo predicen las diversas teorías de gran unificación. Un rasgo clave de estas teorías es que la energía del falso vacío es fabulosa: por término medio un centímetro cúbico de espacio albergaría ¡1087 julios! Incluso un volumen atómico contendría en tal estado 1062 julios. Compárese con los míseros 10–18 julios, más o menos, que posee un átomo excitado. De tal modo que haría falta una enorme cantidad de energía para excitar el falso vacío y no debemos esperar encontrar en el universo actual un falso vacío. Por otra parte, dadas las condiciones extremadas del gran pum, esas cifras son plausibles.
La inmensa energía asociada a los estados de falso vacío tiene un potente efecto gravitatorio. Cosa que ocurre porque, tal y como Einstein nos ha enseñado, la energía tiene masa y por ello ejerce una atracción gravitatoria, al igual que le ocurre a la materia normal. La enorme energía del vacío cuántico es extremadamente atractiva: la energía de un centímetro cúbico de falso vacío pesaría 1067 toneladas, que es más de lo que pesa el universo observable hoy al completo (¡unas 1050 toneladas!). Esta colosal gravedad no contribuye a producir inflación, proceso que requiere alguna forma de antigravedad. Sin embargo, la inmensa energía de falso vacío va asociada a una igualmente inmensa presión de falso vacío y es esta presión la que hace el trabajo. Normalmente no solemos pensar en la presión como fuente de gravedad, pero lo es. Aunque la presión ejerce una fuerza mecánica hacia el exterior, da origen a un tirón gravitatorio hacia el interior. En el caso de los cuerpos que nos son familiares, el efecto gravitatorio de la presión es despreciable en comparación con el efecto de la masa de esos cuerpos. Por ejemplo, menos de una mil millonésima parte del peso de nuestro cuerpo en la Tierra se debe a la presión interna de la Tierra. Sin embargo, el efecto de la presión es real, y en un sistema en el que la presión llega a valores altísimos, el efecto gravitatorio de la presión puede competir con el de la masa.
En el caso del falso vacío, existen una energía colosal y una presión igual de colosal, de modo que compiten por la dominancia gravitatoria. Sin embargo, la propiedad crucial es la de que la presión es negativa. El falso vacío no empuja: chupa. Una presión negativa produce un efecto gravitatorio negativo: lo que equivale a decir que antigravita. De modo que la acción gravitatoria del falso vacío supone una competencia entre el inmenso efecto atractivo de su energía y el inmenso efecto repulsivo de su presión negativa. El resultado es que gana la presión y que el efecto neto es el de crear una fuerza repulsiva tan grande que puede reventar el universo y separarlo en una fracción de segundo. Es este empujón inflacionario gargantuesco el que hace que el universo doble su tamaño rapidísimamente, cada 10–34 segundos.
El falso vacío es en sí mismo inestable. Como todos los estados cuánticos excitados, aspira a volver al estado base, al auténtico vacío. Probablemente eso ocurre al cabo de unas pocas docenas de tics. Al ser un proceso cuántico, está sujeto al inevitable determinismo y a las fluctuaciones aleatorias que se han examinado anteriormente en relación con el principio de incertidumbre de Heisenberg. Lo cual significa que la vuelta al estado base no se dará uniformemente en todo el espacio: habrá fluctuaciones. Y algunos teóricos sugieren que esas fluctuaciones pueden ser la fuente de las ondulaciones captadas por el COBE.
Una vez que el falso vacío desaparece, el universo vuelve a su expansión normal cada vez más lenta. Se libera la energía que ha estado encerrada en el falso vacío, apareciendo en forma de calor. La enorme distensión producida por la inflación ha enfriado el universo hasta llegar a una temperatura muy próxima al cero absoluto; repentinamente, el final de la inflación lo recalienta hasta la prodigiosa temperatura de 1028 grados. Este vasto reservorio de calor sobrevive hoy, en una forma abrumadoramente disminuida, como radiación cósmica de calor de fondo. Subproducto de la liberación de la energía del vacío es que muchas partículas virtuales del vacío cuántico absorben parte de ella y pasan a ser partículas reales. Después de otros procesos y cambios posteriores, un remanente de estas partículas primordiales pasa a proporcionar las 1050 toneladas de materia que nos componen a nosotros mismos, a la galaxia y al resto del universo observable.
Si esta escena inflacionaria está en lo cierto (y no pocos cosmólogos lo creen así), entonces la estructura básica y el contenido físico del universo quedaron determinados por los procesos que se terminaron en cuanto transcurrió el brevísimo lapso de 10–32 segundos. El universo postinflacionario pasó por otros muchos cambios de tipo subatómico conforme la materia primigenia fue transformándose en las partículas y átomos que constituyen la materia cósmica de nuestra época, aunque la mayor parte del proceso adicional de materia quedó completo al cabo de tan sólo tres minutos, más o menos.
¿Cómo se relacionan los tres primeros minutos con los tres últimos? Así como el destino de la bala disparada hacia el blanco depende esencialmente de la puntería del arma, así depende sensiblemente el destino del universo de sus condiciones iniciales. Veremos cómo la manera en que se expandió el universo a partir de sus orígenes primigenios y cómo la naturaleza de la materia que surgió del gran pum son las que determinan su futuro definitivo. El principio y el final del universo están profundamente entrelazados.