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Entender el principio y el fin del universo suponen un desafío enorme.
En particular, todavía hay incertidumbre sobre cómo comenzó el tiempo y cómo era en el universo primitivo. En cuanto al futuro lejano y si el tiempo terminará, es aún más difícil de pronosticar, y depende en parte de lo que entendemos por "tiempo".
Los cosmólogos generalmente coinciden en que el universo comenzó hace 13.800 millones de años con el Big Bang. Esto se basa en décadas de observaciones que muestran que todas las galaxias del universo se están separando: en otras palabras, el universo se está expandiendo.
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Si retrocedieras la película, parecería que al principio del universo todo estaba agrupado en un punto de densidad infinita. Eso quiere decir que, al principio, todo estaba comprimido en un punto infinitamente pequeño o "singularidad", que luego comenzó a expandirse a velocidades altísimas con el Big Bang.
Es tentador preguntar qué pasó antes de esto, pero la mayoría de los físicos dirán que esto no tiene sentido. "El tiempo sólo existe como existe el universo", dice la astrofísica Emma Osborne, de la Universidad de York en Reino Unido. "El momento en el que el universo nació es cuando comenzó el tiempo."
Se pueden encontrar ideas similares en los escritos del filósofo cristiano Tomás de Aquino, dice el físico cuántico Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford en Reino Unido. "Dijo que no tiene sentido preguntar qué estaba haciendo Dios antes de que se creara el universo, porque Dios creó todo, incluido el tiempo, por lo que la pregunta no tiene sentido".
Sin embargo, no podemos estar seguros de cómo fue exactamente el Big Bang y qué sucedió inmediatamente después. "Creo que en este momento todavía es cuestión de especulación", dice Osborne.
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¿Infinito?
Una cuestión clave es que la singularidad propuesta era infinitamente pequeña e infinitamente densa, y los infinitos significan que no podemos describir de manera acertada lo que está sucediendo.
Algunos físicos, como el físico teórico Barak Shoshany de la Universidad Brock en St Catharines, Canadá, argumentan que, debido a que los infinitos causan tales problemas a nuestras teorías, "las singularidades realmente no existen". Shoshany dice que, más bien, son una señal de que la teoría que se utiliza "ya no es válida".
Además, en su mayoría, nuestro universo parece estar formado por materia oscura y energía oscura, de las cuales aún no sabemos nada. Eso solo nos lleva a hacer suposiciones sobre cómo se habrían comportado estos dos elementos en las condiciones extremas del universo primitivo.
En consecuencia, algunos cosmólogos están jugando con otras ideas. Un escenario posible es que exista "un superuniverso" que contenga nuestro universo junto con muchos otros, dice Vedral.
Desde este punto de vista, el Big Bang es "el comienzo para nosotros", pero ocurrió dentro de un superuniverso más amplio del que no sabemos nada. "La gente cuestiona cada vez más [la idea] de que hubo un comienzo único".
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Una sola vía
Lo que sí parece claro es que, desde el Big Bang, el tiempo sólo ha avanzado en una dirección. Experimentamos que el tiempo fluye desde el pasado hacia el presente y hacia el futuro, sin retroceder ni cambiar de rumbo.
Esto es completamente diferente a nuestra experiencia del espacio tridimensional, en el que podemos movernos libremente.
Muchos físicos sospechan que la "flecha del tiempo" no es una característica fundamental del universo, sino algo que surge del comportamiento de las cosas que contiene.
Una de esas explicaciones, vinculada al físico austriaco Ludwig Boltzmann, tiene que ver con la cantidad de desorden o "entropía" que hay en el universo.
Una baraja de cartas ordenadas por palos y por número tiene una entropía baja, mientras que si está barajada tiene una entropía alta, y una baraja que está esparcida por todo el suelo tiene una entropía aún mayor.
En el universo en su conjunto, la cantidad de entropía siempre aumenta. Puede haber regiones localizadas donde la entropía disminuye, por ejemplo si ordenamos la baraja de cartas dispersa.
Pero el trabajo que implica hacer esto libera calor, lo que aumenta la entropía en otros lugares.
Este aumento constante de la entropía es una posible explicación de la flecha del tiempo.
Debido a que en cualquier momento dado es abrumadoramente probable que la entropía aumente en lugar de disminuir, el tiempo se mueve constantemente en la dirección de una entropía mayor.
Sin embargo, esta explicación tiene un problema. Se supone que el universo comenzó en un estado de baja entropía, porque si la entropía fuera alta después del Big Bang no podría aumentar.
"En realidad, no creo que tengamos ninguna evidencia de ello", afirma Vedral. La mejor imagen que tenemos del universo temprano proviene de una débil radiación llamada fondo cósmico de microondas, que nos llega desde todos los rincones del firmamento. Y ese patrón de radiación es "altamente entrópico”.
En otras palabras, el estado que observamos en el universo primitivo no parece un punto de partida muy plausible desde el cual se pudiera lanzar la flecha del tiempo.
"El enfoque actual es simplemente asumir que se trata de un estado de baja entropía", dice la filósofa Emily Adlam de la Universidad Chapman en Orange, California. "Sin ninguna razón particular para ello, simplemente fue así".
El multiverso
Una posible explicación es suponer nuevamente que existen otros universos además del nuestro.
"Hay un montón de universos y todos ellos tenían diferentes estados iniciales", dice Adlam. Sin embargo, los seres conscientes como nosotros probablemente sólo podrían existir en universos que tienen una entropía creciente.
"Resulta que nos encontramos en el único [universo] que tenía baja entropía al principio", dice Adlam. Los universos que comienzan con alta entropía no sustentarían la vida, por lo que no habría nadie para hacerse la pregunta.
Sin embargo, esto sí implica asumir la existencia de otros universos, lo que supone un gran salto. Por eso Adlam prefiere otro enfoque. "El camino que prefiero es cuestionar el paradigma explicativo que estamos usando aquí", dice.
Definiendo el futuro
Intuitivamente, explicamos lo que está sucediendo ahora haciendo referencia a lo que sucedió antes: los acontecimientos del martes explican los acontecimientos del miércoles.
Pero esto crea un problema cuando se piensa en el Big Bang y el universo temprano. "Sólo podemos explicar las cosas observando cosas anteriores, por lo que, por supuesto, no se puede explicar el estado inicial", dice Adlam.
Lo más importante, sostiene Adlam, es que la historia del universo sea consistente, sin contradicciones o paradojas como personas que retroceden en el tiempo y matan a sus abuelo.
Esa es otra razón por la que sólo deberíamos experimentar un flujo del tiempo en un solo sentido: minimiza la oportunidad de que se produzcan tales paradojas. Pero los fundamentos de esta historia podrían ser contrarios a la intuición.
La gente suele pensar que el universo avanza paso a paso desde el pasado hacia el futuro. "Le das un estado inicial", dice Adlam. Luego, como una computadora, "hace un cálculo y produce la historia paso a paso, en algún tipo de proceso ordenado".
Pero tal vez no sea así como funciona. "Lo que realmente queremos pensar es en que el universo decide toda la historia de una sola vez", dice Adlam. En otras palabras, no es sólo el pasado lo que está arreglado: el futuro también lo está, pero aún no sabemos qué es.
Adlam compara esto con resolver un sudoku. En estos populares acertijos, los números deben colocarse en una cuadrícula de nueve por nueve de tal manera que cada fila, cada columna y cada cuadrado de tres por tres contenga los dígitos del uno al nueve.
"En el sudoku no se empieza por un lado y se avanza hacia el otro", dice Adlam. "Simplemente eliges una solución de manera que obedezca todas las reglas y sea consistente. Piensa en el universo haciendo eso".
Si esta visión del tiempo es correcta, "no hay ninguna virtud especial en explicar las cosas a partir de cosas anteriores", dice Adlam. En cambio, el presente, el futuro y el pasado dependen el uno del otro de formas que no entendemos.
En este punto, nuestro lenguaje se queda corto porque depende en gran medida de la suposición del flujo unidireccional del tiempo. La explicación anterior hace referencia a un universo que hace un cálculo gigantesco, como si hubiera un tiempo en el que no lo había hecho y un tiempo posterior en el que sí lo hizo.
Pero si esta interpretación es correcta, entonces conceptos como "antes" y "después" realmente no aplican.
El fin de los tiempos
Ahora vayamos hasta el otro extremo de la línea de tiempo y consideremos el fin del universo. ¿Cómo podría terminar el cosmos y qué pasará con el flujo del tiempo?
Los cosmólogos han ideado varios escenarios posibles para el fin del universo, cada uno con diferentes implicaciones. Según nuestras observaciones hasta la fecha, algunos parecen más probables que otros.
Una idea que alguna vez pareció prometedora, pero que ahora parece poco probable, es el Big Crunch. Esta es la idea de que la atracción de la gravedad eventualmente detendrá la expansión del universo y hará que todo vuelva a unirse, lo que culminará en una singularidad que terminará con el universo, un Big Bang invertido. Lo que significaría el fin definitivo del paso del tiempo.
Sin embargo, desde la década de 1990 se ha acumulado evidencia de que la expansión del universo se está acelerando, lo que sugiere que la gravedad no será lo suficientemente poderosa como para detenerla. "No parece haber una manera plausible de llegar a un Big Crunch desde la cosmología actual", dice la cosmóloga Katie Mack del Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, en Ontario, Canadá.
La única manera posible sería que la misteriosa energía oscura que está acelerando la expansión cambie su comportamiento. "Si es algo que cambia con el tiempo", dice Mack, "entonces se podría concebir una versión de la energía oscura que pasaría de crear expansión a crear compresión". Sin embargo, esto es sólo una especulación. "No hay evidencia de algo así".
Otro escenario que también se considera improbable es el Big Rip. En este futuro imaginado, "la energía oscura se vuelve un poco loca", dice Mack. A medida que las galaxias se separan y el universo se vuelve cada vez más vacío, la energía oscura se vuelve más dominante. En última instancia, la energía oscura se vuelve tan poderosa que primero desgarra las galaxias y luego destroza el espacio mismo.
Es una idea dramática, pero "la mayoría de los cosmólogos no la toman en serio como una posibilidad", dice Mack. Esto se debe a que parece requerir cantidades cada vez mayores de energía, sin una fuente obvia. "No está claro si algunos principios fundamentales del universo impiden un gran desgarro".
Una tercera idea es la desintegración del vacío. Este escenario depende del comportamiento del campo de Higgs: un campo de energía que impregna todo el universo y desempeña un papel clave a la hora de hacer que las partículas tengan masa.
En 2012, investigadores del Gran Colisionador de Hadrones detectaron la partícula asociada, el bosón de Higgs, confirmando la existencia del campo. "El campo de Higgs es lo importante", dice Mack. "La partícula es exactamente la forma en que sabemos que el campo de Higgs está ahí".
Los cosmólogos creen que el campo de Higgs no siempre ha tenido la misma intensidad. "El campo de Higgs cambió en el universo temprano", dice Mack. "Estableció las condiciones para que la física sea como es hoy. Permitió la existencia de átomos y moléculas y todo al crear la mezcla de fuerzas y partículas fundamentales que experimentamos".
Desde entonces, el campo de Higgs se ha mantenido estable, pero en teoría podría volver a cambiar. Si esto sucediera, aparecería una especie de burbuja, en cuyo interior las leyes de la física serían diferentes. "Cambiaría la mezcla de partículas que existen, cambiaría la combinación de fuerzas, cambiaría la estructura de la física de partículas de una manera que, desde cualquier punto de vista, la haría inhabitable", dice Mack.
Y no se detendría ahí. "Esta burbuja se expandiría aproximadamente a la velocidad de la luz y destruiría todo", dice Mack. "Nos mataría totalmente".
La buena noticia es que la decadencia del vacío es sólo una posibilidad teórica y sólo ocurrirá dentro de billones de años. "Pero también es un evento aleatorio", dice Mack, "por lo que realmente no podemos predecir cuándo o dónde podría suceder".
Un "aburrido" final
Finalmente, el escenario más aceptado sobre el fin del universo es la llamada muerte por calor. Es un nombre un poco confuso, porque implica que el universo se va a quemar a sí mismo, cuando en realidad significa todo lo contrario. La muerte por calor sería lenta y fría.
La idea es bastante simple. Actualmente, el universo se está expandiendo y las galaxias se están alejando unas de otras. Adelanta la película y eventualmente las galaxias estarán tan alejadas que la luz de una galaxia nunca llegará a las otras.
A medida que la materia se expande, las estrellas se quedarán sin combustible y se oscurecerán. Con el tiempo se alcanzará la entropía máxima: todo estará lo más disperso posible. Nunca más habrá vida y, de hecho, nada interesante.
Esta muerte por calor proyectada está tan lejos en el futuro que nuestras mentes no pueden comprender la extensión de tiempo involucrada.
La muerte por calor tiene extrañas implicaciones para el paso del tiempo. En nuestra experiencia, la flecha del tiempo está estrechamente relacionada con el aumento de la entropía, pero en el momento de la muerte por calor, la entropía estará al máximo. "La entropía no puede aumentar", dice Mack. "No hay dirección futura y se pierde la flecha del tiempo".
Sin embargo, podría continuar otro tipo de flecha del tiempo, dice Adlam. Si parte de la razón por la que el tiempo sólo va en una dirección es para garantizar la coherencia y evitar contradicciones y paradojas, entonces no hay razón para que el flujo del tiempo se detenga con la muerte por calor. "En cierto sentido, siempre existirá esta estructura lineal subyacente, que podríamos llamar la flecha del tiempo", dice.
Sin embargo, ningún ser humano u otro ser consciente estaría presente para experimentar este estado. "Simplemente no sería posible tener una persona consciente en esa situación", dice Adlam.
"Presumiblemente, parte de lo que se necesita para ser consciente es tener la capacidad de formar recuerdos y tener procesos de pensamiento". Estos procesos se basan en interacciones complejas que sólo son posibles cuando la entropía aumenta. Una vez que eso se detiene, no hay posibilidad de conciencia o memoria.
"Aún se puede hablar de la idea de que el tiempo pasa, pero no en una dirección", dice Mack. "No es que no exista, es sólo que ya no tiene significado".
"Creo que el tiempo tiene varias caras", dice Adlam. Se trata de una "estructura física objetiva", que aún existiría incluso en caso de muerte por calor. "Pero también hay muchas cosas que ver con nuestra experiencia subjetiva del tiempo", dice. "Es posible que con el tiempo esas cosas desaparezcan".
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