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Un universo burbuja

Una cosa es argumentar que la teoría da lugar a muchas posibilidades para las leyes de la física, pero otra muy diferente es decir que la Naturaleza saca provecho realmente de todas las posibilidades. ¿Cuál de los muchos ambientes posibles se materializó como mundo real? Las ecuaciones de la física tienen sin duda soluciones que describen capas esféricas gigantes de acero inoxidable en órbita alrededor de «estrellas» masivas hechas de oro puro. Para un teórico, tales soluciones de las ecuaciones existen. Pero ¿hay tales objetos en el universo? Probablemente no, y las razones son históricas. Nada en la manera en que evolucionó el universo —nada en la cosmología del big bang— podría explicar cómo se habrían formado tales objetos. La existencia matemática no es lo mismo obviamente que la existencia física. Descubrir que la teoría de cuerdas tiene 10⁵⁰⁰ soluciones no explica nada de nuestro mundo a menos que también entendamos cómo nacieron los ambientes correspondientes.

Algunos físicos creen que debe haber un principio de selección de vacío que discrimina un único punto en el paisaje —presumiblemente nuestro punto. Dicho principio, si existe, podría ser matemático, quizá una demostración de que sólo una de las muchas soluciones aparentes de la teoría de cuerdas es realmente consistente. Pero, si lo hay, las matemáticas de la teoría de cuerdas han ido en sentido contrario, hacia una no unicidad cada vez mayor. He oído decir a algunos que el Principio de selección de vacío debe ser cosmológico; el nacimiento del universo sólo pudo suceder de una única manera que condujo a un ambiente igualmente único. Pero el principio de selección de vacío es muy parecido al monstruo del lago Ness: a menudo se afirma que existe, pero nadie lo ha visto nunca. En consecuencia, muchos de nosotros empezamos a sospechar que no existe en absoluto. Incluso si existe un mecanismo semejante, las probabilidades de que las leyes de la física resultantes estuvieran bien ajustadas con la increíble precisión necesaria para nuestra existencia seguirían siendo despreciables. Yo tengo la sensación de que un genuino principio de selección de vacío sería con gran probabilidad un desastre.

¿Cuál es la alternativa? La respuesta es que la Naturaleza hace uso de algún modo de todas las posibilidades. ¿Hay un mecanismo natural que habría poblado un megaverso con todos los ambientes posibles, transformándolos de posibilidades matemáticas en realidades físicas? Esto es lo que cree un número cada vez mayor de físicos teóricos —yo mismo incluido—. Llamo a esta idea el paisaje poblado^[84].

En este capítulo explicaré la idea principal del punto de vista del paisaje poblado: mecanismos que descansan en principios físicos bien comprobados dan lugar a un número enorme, o incluso infinito, de universos de bolsillo, y todos y cada uno de los valles están representados en el paisaje.

Los mecanismos que subyacen al paisaje poblado se basan sólo en los principios de la relatividad general y en aplicaciones muy convencionales de la mecánica cuántica. Para entender cómo se puebla el paisaje tenemos que examinar dos conceptos muy básicos de la física. El primero es la metaestabilidad del vacío. Se refiere al hecho de que las propiedades del vacío pueden cambiar súbitamente con poco o ningún calentamiento. El segundo concepto es que el espacio se clona a si mismo.

Estabilidad y metaestabilidad

En la sombríamente divertida sátira de ciencia ficción Cunas de gato de Kurt Vonnegut, el físico Félix Hoenikker descubre una nueva forma de agua sólida llamada hielonina. La estructura cristalina de la hielonina es algo diferente de la del hielo corriente —una nueva manera de apilar las balas de cañón, por así decir— y, como resultado, la nueva red cristalina es tan estable que no se funde hasta que la temperatura llega a los 50 °C. En la fantasía de Vonnegut, la razón de que las aguas de la Tierra permanecieran líquidas con anterioridad es que se necesitaría una minúscula semilla del nuevo cristal para «enseñar» a las moléculas de agua a reensamblarse en la red de hielonina más estable. Una vez que se introdujera dicho minúsculo «cristal maestro», el agua circundante se coagularía a su alrededor, formando una burbuja de hielonina en rápida expansión. Hasta el pequeño experimento Indico de Hoenikker nadie había hecho nunca un cristal de hielonina, de modo que el H₂O de la Tierra no estaba corrompida por el primo más mortífero del hielo ordinario.

Incorrupta… hasta que un trozo del nuevo material de Hoenikker cae en las manos de «Papá» Monzano, presidente y dictador de San Lorenzo. Papá termina con su vida tragando un poco de ello, con lo que desestabiliza sus propios fluidos. Éstos se convierten en la letal hielonina y todo su cuerpo se congela en una fracción de segundo. Cuando la fortaleza de Papá se derrumba y cae al mar, su cadáver cargado de hielonina inicia una reacción en cadena. Un cristal se expande a gran velocidad e inmediatamente congela toda el agua en la Tierra, terminando así con toda la vida.

La hielonina es por supuesto una ficción. No hay ninguna fase del agua que sea sólida por encima de los 0 °C Cunas de gato es realmente una historia aleccionadora sobre la locura e inestabilidad de un mundo lleno de armas nucleares. Pero, aunque ficticia, la historia de la hielonina está basada en serios principios de física y química: en particular, el concepto de metaestabilidad.

La estabilidad implica un grado de resistencia a cambios súbitos e impredecibles. Un péndulo que cuelga en posición vertical es muy estable. La inestabilidad es lo contrario: un lápiz de pie sobre su punta caerá en una dirección impredecible. La metaestabilidad es algo intermedio. Algunos sistemas tienen la notable propiedad de que parecen estables durante largos períodos de tiempo pero finalmente sufren cambios catastróficos muy repentinos e imprevistos.

En el mundo real, un tanque cerrado de agua líquida a temperatura ambiente es estable. Pero en el mundo ficticio de Félix Hoenikker y Papá Monzano, sólo es metaestable. El agua real también puede ser metaestable, pero no a temperatura ambiente. Sorprendentemente, si se enfría con cuidado por debajo del punto de congelación o se calienta por encima del punto de ebullición, el agua puede permanecer líquida durante mucho tiempo hasta que repentinamente se transforma en hielo o en vapor. Más extraño incluso es que los vacíos de la teoría de cuerdas suelen ser metaestables. Pero antes de sumergirnos en el agua metaestable, o incluso en el espacio vacío, quiero exponer un ejemplo de metaestabilidad más simple.

Algunas cosas son lisa y llanamente imposibles. Por mucho que esperemos, nunca sucederán. Otras son sólo muy improbables, pero si esperamos lo suficiente ocurrirán finalmente. He aquí algo que según la física clásica es imposible. Imaginemos una vez más una bola pequeña que rueda por un paisaje unidimensional sencillo. De hecho no está rodando; está atrapada en el fondo de un valle entre dos altas montañas. Hay otro valle más bajo al otro lado de una de las montañas, pero la bola está atascada donde está. Para rodar por encima de la montaña y llegar al valle más bajo tendría que tener energía cinética suficiente para compensar la energía potencial extra en la cima. Al estar quieta, carece de la energía para subir siquiera un corto trecho cuesta arriba. Llegar al otro lado sin un empujón no es sólo improbable sino totalmente imposible. Éste es un ejemplo de estabilidad perfecta.

Pero añadamos ahora un poco de calor. La bola podría estar expuesta a colisiones aleatorias con las moléculas de un gas caliente. Tiene agitaciones térmicas. Si esperamos lo suficiente, en algún momento una molécula inusualmente energética, o una sucesión aleatoria de colisiones, le dará un golpe suficiente para llegar al otro lado y caer en el valle más bajo. La probabilidad de que tal accidente aleatorio ocurra en la próxima hora puede ser extraordinariamente pequeña. Pero por pequeña que sea, siempre que no sea cero, con tiempo suficiente la bola cruzará finalmente la barrera y acabará en el valle más bajo.

¡Pero espere! Hemos olvidado las agitaciones cuánticas. Incluso sin ningún calor —incluso a la temperatura del cero absoluto— la bola fluctúa debido a las agitaciones cuánticas. Quizá usted sospeche que incluso en ausencia de energía térmica, las fluctuaciones cuánticas golpearán finalmente la bola para hacerle rebasar la colina. Si es así, usted está en lo cierto. Una bola mecanocuántica atrapada en un valle de energía no es completamente estable; tiene una pequeña probabilidad de aparecer en el otro lado de la montaña. Los físicos llaman a este salto cuántico extraño e impredecible efecto túnel cuántico. Normalmente, el efecto túnel cuántico es un suceso muy improbable que puede necesitar tanto tiempo como el que tardan los proverbiales monos que teclean aleatoriamente en máquinas de escribir hasta escribir una obra de Shakespeare.

Los sistemas de este tipo, que no son verdaderamente estables pero pueden durar un tiempo extraordinariamente grande, son metaestables. Hay muchos ejemplos de metaestabilidad en física y química: sistemas que parecen estables pero que eventualmente pasan por efecto túnel a nuevas configuraciones sin necesidad de calentamiento. En la sátira de Vonnegut el agua ordinaria a temperatura ambiente es metaestable. Antes o después se formará un minúsculo cristal de hielonina, aunque sólo sea por los movimientos aleatorios de moléculas, y entonces una reacción en cadena reordenará el agua líquida metaestable en hielonina más estable. Como pronto veremos, existen ejemplos reales que no incluyen otra cosa que hielo y agua corrientes. Pero, y esto es lo que más nos importa para este libro, los vacíos pueden ser metaestables. Pueden aparecer y crecer espontáneamente burbujas de espacio con propiedades extrañamente diferentes, de forma muy parecida a lo que hacía la hielonina en Cunas de gato. Así es como se puebla el paisaje y el universo se hace diverso.

Una catástrofe de hielo real

El agua se congela a una temperatura de 0 °C. Sin embargo, podemos enfriar agua muy pura a una temperatura inferior sin que se haga sólida siempre que lo hagamos lentamente y con mucho cuidado. El agua líquida por debajo de la temperatura de congelación se llama agua sobre-enfriada.

El agua sobre-enfriada sólo algo por debajo de la temperatura de congelación usual puede durar mucho tiempo. Pero la introducción de un trozo pequeño de hielo corriente hará que el agua cristalice repentinamente a su alrededor y forme un cubo de hielo rápidamente creciente. Igual que la hielonina destruyó el mundo, el cubo de hielo real dominará rápidamente todo el volumen del agua.

Poner el cristal de hielo en el agua sobre-enfriada es muy similar a darle a la bola rodante un empujón por encima de la colina vecina. Es el suceso que empuja al sistema «por encima del borde». En el caso de la bola rodante, el empujón tiene que ser suficientemente fuerte para llevarla por encima de la barrera. Un empujón minúsculo no lo hará. La bola volverá rodando a la posición de partida. Lo mismo es cierto para el agua sobre-enfriada. Si el cristal de hielo es más pequeño que un cierto tamaño crítico, simplemente se volverá a fundir en el líquido que le rodea. Por ejemplo, un cristal de hielo de sólo unas moléculas de diámetro no llegará a crecer y dominar.

Pero incluso sin alguien que añada un poco de hielo, el agua sobre-enfriada no durara eternamente. La razón es que las moléculas del líquido están fluctuando continuamente, rebotando unas en otras y re-ordenándose. Este movimiento se debe a las agitaciones térmicas y a las agitaciones cuánticas. De vez en cuando, por accidente, un grupo de moléculas se ordenarán en un pequeño cristal. La mayor parte de las veces el cristal será tan pequeño que rápidamente se fundirá en su entorno.

En raras ocasiones, sin embargo, se formará espontáneamente un cristal grande por accidente aleatorio. Entonces el cristal crecerá de forma explosiva y todo se congelará. El fenómeno se denomina nucleación de burbuja, pues el cristal que crece es como una burbuja en expansión. Algo muy similar sucederá con el agua que está sobrecalentada por encima del punto de ebullición. La única diferencia es que ahora se nucleará espontáneamente y crecerá una burbuja de vapor.

La frontera entre el hielo sólido y el agua líquida (o entre el vapor y el agua) se denomina una pared de dominio. Es como una membrana entre las dos fases diferentes^[85]. De hecho, la pared de dominio tiene sus propiedades características, por ejemplo, la tensión superficial que trata de contraer la burbuja. Otro ejemplo de una pared de dominio es la frontera entre el agua ordinaria y el aire. Cuando era pequeño me fascinaba el truco de hacer flotar un alfiler de acero en la superficie del agua en un vaso. La frontera de dominio que separa aire y agua es como una piel estirada sobre el líquido. Tiene tensión superficial y, realmente, tiene que ser perforada para que un objeto penetre en ella.

Un vacío con una constante cosmológica positiva es muy parecido a un líquido sobre-enfriado o sobrecalentado. Es metaestable y puede decaer nucleando burbujas. Cada vacío corresponde a un valle en el paisaje con una altitud o densidad de energía particular. Sin embargo, aunque el vacío puede parecer tranquilo y monótono a nuestros sentidos toscos, las fluctuaciones cuánticas crean continuamente minúsculas burbujas de espacio cuyas propiedades corresponden a valles vecinos. Normalmente las burbujas se contraen rápidamente y desaparecen. Pero si el valle vecino tiene una altitud menor, entonces de cuando en cuando aparecerá una burbuja que sea suficientemente grande para empezar a crecer. ¿Dominará todo? Pronto lo veremos.

Las paredes de dominio que separan una burbuja de su entorno son superficies bidimensionales que se parecen a membranas. Éstas no son las primeras membranas que hemos encontrado. En el capítulo 10 supimos de las D-branas de Polchinski. En muchos casos las paredes de dominio no son otra cosa que las D2-branas tipo membrana.

Clonando el espacio

Una cosa falta en la analogía entre el burbujeo cósmico de los universos de bolsillo y el burbujeo de los cristales de hielo en los fluidos sobre— enfriados, a saber, la tendencia del espacio a expandirse. Cada punto del paisaje tiene una constante cosmológica. Recordemos que una constante cosmológica positiva significa una repulsión universal, que hace que la materia se separe. Un teórico moderno de la relatividad general diría que el propio espacio se está expandiendo, o inflando, y que la materia simplemente está siendo arrastrada.

Hace tiempo, cuando Einstein todavía estaba experimentando con la constante cosmológica, el astrónomo holandés Willem de Sitter empezó a estudiar el espacio en inflación. El espacio o, más exactamente, el espacio–tiempo que descubrió De Sitter, y que lleva su nombre, es la solución a las ecuaciones de Einstein cuando no hay energía o materia gravitante distinta de la ubicua energía del espacio vacío, es decir, una constante cosmológica. Como Einstein, De Sitter supuso que la constante cosmológica era positiva. Lo que encontró fue un espacio en inflación que crece exponencialmente con el tiempo La expansión exponencial significa que en un cierto período de tiempo los intervalos espaciales se duplican; luego, en el siguiente intervalo de tiempo, se duplican de nuevo, y luego otra vez. Crece hasta dos veces, cuatro veces, ocho veces, 16 veces… su tamaño original, de manera similar a como el interés compuesto aumenta el dinero. A una tasa del cinco por ciento de interés su capital se doblaría en catorce años. La constante cosmológica es como la tasa de interés: cuanto mayor es la constante cosmológica, con más rapidez se infla el espacio. Como cualquier espacio en expansión, el espacio de de Sitter satisface la ley de Hubble: velocidad proporcional a la distancia.

Nos hemos acostumbrado a la analogía de un globo elástico en expansión para visualizar un universo que crece. Pero el espacio de De Sitter difiere en un aspecto importante de la goma elástica de un balón que se expande exponencialmente. En el caso de un globo, la goma —el tejido del globo— se vuelve cada vez más estirada, tensa y adelgazada por la expansión. Con el tiempo, alcanza sus límites y el globo explota. Pero el tejido del espacio de De Sitter no cambia nunca. Es como si las moléculas de goma estuvieran dando nacimiento continuamente a nuevas moléculas de goma para llenar los espacios creados por la expansión. Piense en las moléculas de goma como si se clonasen a sí mismas para llenar los espacios.

Por supuesto, ninguna molécula de goma real se está creando continuamente. El propio espacio se está reproduciendo para llenar los huecos. Se podría decir que el espacio se está clonando a sí mismo: cada pequeño volumen crea descendencia y con ello crece exponencialmente.

Supongamos un observador en el espacio de De Sitter que se mueve con la expansión general y mira a su alrededor: ¿qué vería? Usted podría esperar que vería que el universo cambia con el tiempo, haciéndose más y más grande. Sorprendentemente no es así. Vería que a su alrededor el espacio fluye de acuerdo con la ley de Hubble: las cosas cercanas se mueven lentamente, las cosas distantes se mueven más rápidas. A cierta distancia el fluido del espacio se estaría alejando tan rápidamente que la velocidad de recesión llegaría a ser igual a la velocidad de la luz. A distancias aún más lejanas los puntos salientes se alejarían con una velocidad aún mayor. El espacio en dichas regiones estaría alejándose tan rápidamente que incluso las señales luminosas emitidas directamente hacia el observador se alejarían. Puesto que ninguna señal puede viajar más rápida que la luz, el contacto con estas regiones distantes se corta por completo. Los puntos más alejados que se pueden observar, es decir, los puntos donde la velocidad de recesión es la velocidad de la luz, se denominan el horizonte o, más propiamente, el horizonte de sucesos.

El concepto de un horizonte de sucesos cósmicos —una barrera ultima para nuestras observaciones o un punto de no retorno— es una de las consecuencias más fascinantes de un universo que se acelera. Como el horizonte de la Tierra, no es ni mucho menos un final del espacio. Es meramente el final de lo que podemos ver. Cuando un objeto cruza el horizonte, dice adiós para siempre. Algunos objetos Pueden incluso haberse formado inicialmente más allá del horizonte. El observador nunca puede tener ningún conocimiento de ellos. Pero si tales objetos están permanentemente más allá de los límites de nuestro conocimiento, ¿importan siquiera? ¿Hay alguna razón para incluir las regiones más allá del horizonte en una teoría científica? Algunos filósofos argumentarían que son construcciones metafísicas que no pintan más en una teoría científica que los conceptos de cielo, infierno y purgatorio. Su existencia es una señal de que la teoría contiene elementos inverificables y por consiguiente acientíficos, o eso dicen.

El problema con esta visión es que no nos permite apelar a un vasto y diverso megaverso de universos de bolsillo, una idea que tiene poder explicativo; fundamental aquí, el poder de explicar el ajuste fino antrópico de nuestra región del espacio. Pronto veremos que todos los demás bolsillos están en las partes fantasmales y misteriosas del espacio más allá de nuestro horizonte. Sin la idea de un megaverso de bolsillo, no hay ninguna manera natural de formular un principio antrópico razonable. Mi propia visión de este dilema será explicada en el capítulo siguiente, pero la presentaré aquí brevemente. Creo que toda esta discusión se basa en una falacia. En un universo gobernado por la mecánica cuántica, las barreras aparentemente definitivas no son tan definitivas. En principio los objetos detrás de los horizontes están dentro de nuestro alcance. Pero sólo en principio. Más sobre esto en el capítulo siguiente.

Curiosamente, en un universo que se acelera bajo la influencia de una constante cosmológica, la distancia al horizonte de sucesos nunca cambia. Está fijada por el valor de la constante cosmológica: cuanto mayor es la constante cosmológica, menor es la distancia al horizonte. El observador vive en un mundo invariable de radio finito acotado por su horizonte, pero exactamente de la misma manera que el horizonte de la Tierra elude a cualquiera que trata de acercarse a él, el horizonte cósmico del espacio de De Sitter nunca puede alcanzarse. Ésta siempre a una distancia finita, pero cuando uno se aproxima a él, ¡allí no hay nada! Sin embargo, si pudiéramos salir fuera del espacio de Sitter —observarlo a distancia, por así decir—, veríamos que todo el espacio está creciendo exponencialmente con el tiempo.

Espacio de De Sitter metaestable

Quiero volver al tema de las sustancias metaestables, pero con un nuevo matiz: supongamos que la sustancia en cuestión se ésta inflando. Para ayudar a visualizar la sustancia metaestable en expansión, imaginemos un lago infinito y poco profundo de agua sobre-enfriada. Para simular la clonación del espacio, el fondo del lago podría estar lleno de pequeñas tuberías de alimentación que continuamente proporcionan nueva agua sobre-enfriada. Para dejar espacio para el nuevo fluido, el agua se difunde horizontalmente: dos moléculas cualesquiera se apartan cada vez más porque nuevas moléculas vienen a llenar el espacio creciente entre ellas. El lago se infla igual que el espacio de de Sitter.

En dicho volumen en inflación de agua sobre-enfriada se nuclearán espontáneamente cristales de hielo de cuando en cuando. Si son suficientemente grandes, crecerán y se convertirán en islas de hielo en expansión. Pero, puesto que están siendo arrastradas con el fluido que se difunde, las islas crecientes pueden separarse con tanta rapidez que nunca se encontrarán. Las regiones entre las islas se inflan e impiden que todo el lago se convierta en hielo sólido. El espacio entre islas crece eternamente, permaneciendo líquido, incluso si las islas de hielo también crecen indefinidamente. De todas formas, cualquier observador que flote con el flujo terminará rodeado de hielo: dado el tiempo suficiente, un minúsculo cristal de hielo se nucleará eventualmente en la vecindad de la persona y la engullirá. Ésta es una conclusión algo paradójica, pero conecta de todas formas: siempre hay mucha agua líquida pero cualquier porción de ella está más pronto o más tarde envuelta en hielo.

Lo que he descrito es una precisa analogía del fenómeno denominado inflación eterna: islas crecientes de vacío alterno en un vacío en un mar de espacio que se infla eternamente. No es una idea nueva ni mucho menos. Mi colega en Stanford, Andrei Linde, es uno de los grandes pensadores que han sido pioneros en muchas de las ideas de la cosmología moderna. Desde que le conozco —ciertamente desde que llegó a Estados Unidos desde Rusia, hace aproximadamente quince años—. Andrei ha estado predicando la doctrina de un universo que se infla eternamente, produciendo constantemente burbujas de todo tipo. Alexander Vilenkin es otro cosmólogo ruso-estadounidense que ha tratado decididamente de impulsar la cosmología en la dirección de un megaverso superinflado de enorme diversidad. Pero, en su gran mayoría, los físicos han ignorado estas ideas, al menos hasta muy recientemente. Lo que está agitando el campo precisamente ahora es la comprensión de que la teoría de cuerdas —nuestra mejor conjetura para una teoría de la Naturaleza— tiene características que encajan muy bien con estas ideas más viejas.

La combinación de la relatividad general, la mecánica cuántica y un universo de alta densidad inicial, junto con el paisaje de la teoría de cuerdas, sugiere que un universo metaestable que se infla eternamente puede ser inevitable.

Inflación eterna

Si usted compró este libro esperando encontrar la respuesta definitiva a cómo empezó el universo, me temo que estará desilusionado. Ni yo ni nadie lo sabe. Algunos piensan que empezó con una singularidad, un estado infinitamente violento de densidad de energía infinita. Otros, en especial Stephen Hawking y sus seguidores, creen en un efecto túnel cuántico desde la nada. Pero comoquiera que empezara, sabemos una cosa. En algún momento en el pasado el universo existía en un estado de densidad de energía muy grande, probablemente atrapado en una expansión inflacionaria. Casi todos los cosmólogos coincidirán en que una historia de rápida expansión exponencial es la explicación más probable para muchos enigmas de la cosmología. En el capítulo 5 aprendimos la base observacional para esta creencia. Parece casi seguro que la historia observable de nuestro universo empezó hace catorce mil millones de años en un punto en el paisaje con una densidad de energía suficiente para inflar nuestra región del espacio hasta multiplicarla al menos por 10²⁰. Ésta es probablemente una enorme subestimación. La densidad de energía durante este período era muy grande —no estamos seguro de cuan grande, pero enormemente mayor que cualquier cosa que podamos conseguir en el laboratorio, incluso durante las más violentas colisiones de partículas elementales en los mayores aceleradores—. Parece que en esa época el universo no estaba completamente atrapado en un valle del paisaje, sino que descansaba en un terreno llano ligeramente inclinado. Conforme se infló, nuestro bolsillo de espacio (el universo observable) rodó lentamente por la ligera pendiente hasta una terraza que daba a una pendiente pronunciada, y cuando llegó al borde de la terraza descendió rápidamente, convirtiendo energía potencial en calor y partículas. Este suceso, que creó el material del universo, se denomina recalentamiento. Finalmente, el universo rodó cuesta abajo hasta nuestro valle actual con su minúscula constante cosmológica antrópica. Es decir: la cosmología tal como la conocemos fue una breve rodadura desde un valor de la energía del vacío a otro. Todas las cosas interesantes sucedieron durante este período transitorio.

¿Cómo llegó a la terraza nuestro universo de bolsillo? Eso es lo que no sabemos. Pero es muy conveniente que empezara donde lo hizo. Sin la inflación debida a la densidad de energía de la terraza, el universo no podría haber evolucionado hasta el gran universo lleno de materia que vemos a nuestro alrededor: un universo suficientemente grande, suficientemente suave y con los contrastes de energía adecuados para nuestra propia existencia.

El problema con una teoría que nos coloca de entrada en la terraza es que éste es sólo uno entre un inmenso número de puntos de partida. Lo único que la distingue es que proporciona un comienzo particularmente acertado para un universo con posibilidades de que evolucione la vida. Colocar arbitrariamente el universo en un punto tan especialmente afortunado del paisaje sería renunciar al objetivo de explicar el mundo sin un diseñador inteligente. Pero como voy a explicar, una teoría con un paisaje enorme no requiere elección. En mi opinión, es totalmente inevitable —matemáticamente cierto— que algunas partes del espacio evolucionarán para encontrarse en el lugar feliz. Pero no todos están de acuerdo.

El cosmólogo de Princeton Paul Steinhardt, en una crítica del principio antrópico, dice: «El principio antrópico hace un número enorme de hipótesis con respecto a la existencia de universos múltiples… ¿Por qué necesitamos postular un número infinito de universos con todo tipo de propiedades diferentes tan solo para explicar el nuestro?». La respuesta es que no necesitamos postularlos. Son consecuencias inevitables de principios convencionales bien comprobados de la relatividad general y de la mecánica cuántica.

Resulta una ironía que el propio trabajo de Steinhardt contuviera el germen original de la idea de inflación eterna, incluyendo los argumentos que yo encuentro tan inevitables. El burbujeo de una infinidad de universos de bolsillo es tan cierto como el burbujeo de una botella de champán abierta. Hay sólo dos hipótesis: la existencia de un Paisaje y el hecho de que el universo empezó con una densidad de energía muy alta, es decir, que empezó a gran altitud. En cuanto a la primera, quizá se demuestre que no es una hipótesis en absoluto. Las matemáticas de la teoría de cuerdas parecen hacer el paisaje inevitable. Y la segunda —alta densidad de energía— es una característica de cualquier cosmología científica que empiece con el big bang. Déjeme explicar por qué yo, junto con muchos otros cosmólogos, encontramos tan convincente la idea de inflación eterna.

Las ideas de las que voy a hablarle no son mías. Fueron avanzadas por los cosmólogos Alan Guth, Andrei Linde, Paul Steinhardt y Alexander Vilenkin y deben mucho al trabajo seminal de uno de los grandes físicos de mi generación, Sidney Coleman. Empecemos con un universo, o quizá sólo con una región de espacio, localizado en un punto arbitrario del paisaje con el único requisito de que la densidad de energía sea bastante grande. Como cualquier sistema mecánico, empezará a evolucionar hacia zonas de energía potencial más baja.

Pensemos en una bola que rueda desde lo alto del Monte Everest. ¿Cuál es la probabilidad de que ruede todo el camino hasta el nivel del mar sin quedarse atascada en algún lugar? No demasiado alta. Mucho más probable es que se quede en reposo en algún valle local no lejos de la montaña. Las condiciones iniciales —de dónde partió exactamente y con qué velocidad empezó a rodar— apenas importan.

Lo mismo que sucede con la bola sucede con la región del espacio que estamos siguiendo: muy probablemente caerá en algún valle, donde empezará a inflarse. Se clonará un enorme volumen de espacio, todo él localizado en el mismo valle. Por supuesto hay valles más bajos, pero para llegar a ellos el universo tendría que subir por pasos montañosos a elevaciones más altas que el valle de partida, y no puede hacerlo porque no tiene energía. De modo que se asienta allí y se infla para siempre.

Pero hemos olvidado una cosa. El vacío tiene agitaciones cuánticas. Igual que las agitaciones térmicas del agua sobre-enfriada, las agitaciones cuánticas hacen que se formen y desaparezcan pequeñas burbujas. El interior de estas burbujas puede estar en un valle vecino, con menor altitud. Este burbujeo sucede constantemente, pero la mayoría de las burbujas son demasiado pequeñas para crecer. La tensión superficial de las paredes de dominio que separan la burbuja del resto del vacío las comprime. Pero como en el caso del agua sobre-enfriada, de vez en cuando se forma una burbuja que es suficientemente grande como para empezar a crecer.

Las matemáticas que describen esta formación de burbujas en un universo que se infla se conocían desde hacía muchos años. En 1977, Sidney Coleman y Franck DeLuccia escribieron un artículo que iba a convertirse en un clásico. En su artículo calculaban el ritmo al que aparecerían tales burbujas en un universo que se infla, y aunque el ritmo podía ser muy pequeño —muy pocas burbujas por unidad de volumen— con toda probabilidad no es cero. Los cálculos utilizaban solamente los métodos mejor comprobados y más dignos de confianza de la teoría cuántica de campos y son considerados terreno firme por los físicos modernos. Así, a menos que haya algo terriblemente erróneo, el vacío que se infla producirá burbujas crecientes localizadas en valles vecinos.

¿Colisionan las burbujas y se unen finalmente de modo que todo el espacio termina en un nuevo valle? ¿O se expande el espacio entre las burbujas con demasiada rapidez para permitir que se fusionen las islas? La respuesta depende de la competencia entre dos ritmos: el ritmo al que se forman las burbujas y el ritmo al que se reproduce el espacio, o ritmo de clonación. Si las burbujas se forman muy rápidamente, colisionarán y se fusionarán con mucha rapidez y todo el espacio se moverá a un punto nuevo en el paisaje. Pero si el ritmo al que se reproduce el espacio es mayor que el ritmo al que se forman las burbujas, la clonación gana y las burbujas nunca se alcanzan unas a otras. Como las islas de hielo en el lago sobre-enfriado inflado, las burbujas evolucionan por separado y cada una de ellas llega a estar finalmente más allá de los horizontes de las demás. La mayor parte del espacio sigue inflándose eternamente.

¿Cuál gana, la nucleación de burbujas o la clonación del espacio? La respuesta general no está ni siquiera próxima. La nucleación de burbujas, como todos los demás procesos de efecto túnel, es rara e improbable. Normalmente transcurrirá mucho tiempo antes de que se nuclea por azar una burbuja suficientemente grande para expandirse. Por otra parte, la clonación del espacio, es decir, el crecimiento exponencial debido a la energía del vacío, es extraordinariamente rápido si la constante cosmológica no es ridículamente pequeña. En todos los ejemplos salvo los más retorcidos, el espacio continúa clonándose exponencialmente, mientras que las islas o burbujas se nuclean lentamente en los valles vecinos del paisaje. La clonación del vacío gana la competición por un margen muy amplio.

Echemos una mirada al interior de una de las burbujas. ¿Qué encontramos? Normalmente nos encontramos localizados en un valle con altitud algo más baja que la de partida. El espacio dentro de la burbuja también se estará inflando. No estoy hablando del crecimiento ordinario de la burbuja sino de la clonación del espacio dentro de la burbuja. Así pues, empezamos de nuevo. Una nueva región del espacio está ahora localizada en un nuevo valle. Pero hay todavía otros valles más bajos. Dentro de la burbuja original puede formarse una burbuja de una siguiente generación en otro valle próximo con una altitud menor. Y, si esa burbuja es mayor que un tamaño crítico, empieza a crecer: una burbuja que crece dentro de otra burbuja.

Como regla general, no me gustan las analogías biológicas en física. La gente tiende a tomarlas de forma demasiado literal. Voy a utilizar una ahora pero, por favor, no saque la idea de que yo pienso que los universos o los agujeros negros o los electrones están vivos, se enzarzan en una competición darwiniana o tienen relaciones sexuales.

Pensemos en el megaverso como una colonia de organismos que se reproducen por clonación. Para evitar confusión, déjeme repetirlo: los organismos no son criaturas vivas; son zonas de espacio que se reproducen. Puesto que los clones son idénticos a sus padres, podemos considerar que ocupan el mismo valle en el paisaje. Podríamos incluso pensar en un paisaje de diseños biológicos: diferentes valles corresponden a diferentes especies. No se preocupe de que unos organismos se pongan en el camino de los otros. En este mundo ficticio siempre hay espacio para más. Cuando se forma una burbuja con propiedades diferentes de las de la madre, la descendencia ocupa un nuevo valle vecino. Puesto que el espacio dentro de la burbuja también se infla, la descendencia empieza el proceso de clonación y el proceso de habitar nuevos valles para formar burbujas de nueva generación. De esta manera la colonia metafórica empieza a dispersarse por el paisaje. Los reproductores más rápidos son las regiones del espacio a las mayores altitudes, donde la constante cosmológica es máxima. En estas regiones del paisaje la clonación tiene lugar de forma especialmente rápida y la población de las altitudes mayores crece con la mayor rapidez. Pero los organismos a altas altitudes también alimentan las altitudes inferiores, de modo que la población en las regiones bajas también crece con el tiempo^[86]. Finalmente, cada nicho del paisaje llegará a estar poblado, no solo una vez sino con una población que crece exponencialmente. La única cosa que falla en la analogía es que los organismos reales compiten y se matan cuando su valle se hace superpoblado. Por el contrario, no existe ningún mecanismo de competencia entre universos de bolsillo, de modo que la población de cada valle sigue creciendo indefinidamente. Se podría pensar que cada uno de estos organismos es totalmente invisible para los demás en cada valle.

¿Cómo mueren las burbujas? Si aparece una burbuja con una constante cosmológica exactamente cero, no podrá inflarse y dejara de reproducirse. Los únicos vacíos semejantes son las partes supersimétricas del paisaje. Así pues, la región supersimétrica del paisaje es la sepultura de los universos en más de un sentido. La vida corriente no puede existir en ambientes supersimétricos y, más importante para lo que nos ocupa, la reproducción de burbujas cesa.

Aunque las analogías suelen captar alguna verdad en un sentido que es fácil de entender, siempre son confusas en otros aspectos. La analogía entre inflación eterna y evolución de especies es engañosa en otras aspectos además de la falta de competencia. La evolución darwiniana depende de la continuidad entre generaciones. La descendencia se parece mucho a sus padres. Si tuviéramos una secuencia de fotografías de todas las generaciones de simios, empezando con el «eslabón perdido» hace cinco millones de años y terminando con usted o conmigo, podríamos alinearlas en una hilera para ver con qué rapidez hizo su trabajo la evolución. Si ignoramos aquellos cambios que distinguen a los individuos en una época dada, encontraríamos que los cambios de una generación a la siguiente son demasiado minúsculos para ser detectados. Sólo el cambio acumulado durante miles de generaciones sería apreciable y, aun así, sólo apenas. Lo mismo sería cierto para todos los tipos de vida. Los cambios estructurales grandes son muy infrecuentes y, cuando ocurren, llevan casi siempre a vías muertas evolutivas. Cualquiera que nazca con dos cabezas, tres piernas o ningún riñón no vivirá más que un corto tiempo (excepto en los modernos hospitales) y, en cualquier caso, es extraordinariamente Poco probable que tales criaturas tengan éxito en el juego de apareamiento darwiniano.

El contraste con la evolución en el paisaje cósmico no podría ser mayor. El cambio que tiene lugar cuando nuclea una burbuja en una región del espacio que se infla no es imperceptible como sucede en la evolución biológica. Pensemos geológicamente: los valles vecinos no se parecen. El valle de Aspen, en la Montañas Rocosas de Colorado, a una altitud de dos mil setecientos metros, está más de setecientos metros por debajo de los Lagos Gemelos, precisamente al otro lado del Paso de la Independencia. También son diferentes de otro valles. Si hay un valle tan similar al de Aspen que sea difícil advertir la diferencia, lo más probable es que esté muy apartado.

Así es el paisaje cósmico. La altitud de los valles vecinos no es especialmente parecida. Si los vecinos difieren en la composición de branas o flujos, eso conducirá a diferencias en la lista de partículas elementales, las constantes de la Naturaleza e incluso la dimensionalidad del espacio. Cuando un vacío padre engendra una burbuja, el resultado será normalmente una mutación monstruosa antes que un pequeño cambio imperceptible.

¿Es la inflación eterna, con su prolífica y desbocada creación de mundos— burbuja de cualquier tipo posible, una salvaje alucinación fantasmagórica? Yo no lo creo. La expansión exponencial del espacio parece un hecho firme; ningún cosmólogo la cuestiona. La posibilidad de más de un valle no es en nada inusual, ni lo es la hipótesis de que una región que se infla producirá burbujas de menor altitud. Todos están de acuerdo en eso.

Lo que es nuevo es que la teoría de cuerdas da lugar a un número exponencialmente grande de valles con una tremenda variedad de ambientes. Muchos físicos están muy alarmados por esta idea. Pero incluso aquí, los teóricos de cuerdas más serios admiten que el argumento parece sólido^[87].

Consideremos las últimas etapas de la evolución cósmica justo antes de que nuestra región entrara en la era convencional de Inflación seguida de recalentamiento y eventualmente vida. ¿De dónde veníamos antes de aparecer milagrosamente en la terraza inflacionaria? Muy probablemente la respuesta es que veníamos de un valle vecino con una mayor elevación. ¿Cómo difiere ese valle del nuestro? La teoría de cuerdas da respuestas: los flujos tenían otros valores, las branas estaban en localizaciones diferentes, y los moduli de la compactificación eran diferentes. Quizá al pasar por encima de la montaña hacia la terraza, las branas se aniquilaron mutuamente y se reordenaron, los flujos cambiaron y los tamaños y formas de varios cientos de moduli cambiaron a algo nuevo para dar una nueva máquina de Rube Goldberg. Y con la nueva configuración vinieron nuevas leyes de la física.

Una relación paradójica entre hijo y padre

La teoría de la relatividad general de Einstein puede llevar a consecuencias que desafían nuestra capacidad normal para visualizar relaciones geométricas; los agujeros negros son un claro ejemplo. Otra curiosidad extraordinariamente interesante atañe a la geometría dentro de las burbujas que se forman en un espacio que se infla. Desde el exterior, la burbuja parece una esfera que se infla acotada por una pared de dominio o membrana. La energía liberada por los cambios dentro de la burbuja se convierte en energía cinética de la pared de dominio, que se acelera rápidamente. Al cabo de poco tiempo, la burbuja se expandirá a una velocidad próxima a la de la luz. Cabría esperar que un observador en el interior de la burbuja experimente un mundo finito que en todo instante está acotado por una pared que crece. Pero no es eso ni mucho menos lo que ve. La visión desde dentro de la burbuja es muy sorprendente.

En el capítulo 5 encontramos los tres tipos básicos de universos en expansión: el universo cerrado y acotado de Alexander Friedmann, el universo plano y el universo abierto infinito con curvatura negativa. Todos los universos estándar son homogéneos y ninguno de ellos tiene un borde o pared. Cabría pensar que un habitante en el interior de una burbuja observaría la pared de dominio que se expande y concluiría que él no vivía en ninguno de los universos estándar. Sorprendentemente, esto es incorrecto: ese habitante de la burbuja observaría ¡un universo abierto infinito con un espacio curvado negativamente! Que una burbuja finita que se expande pueda parecer un universo infinito desde el interior es una de esas misteriosas paradojas de la geometría einsteniana no euclídea.

Trataré de darle una idea de cómo se resuelve la paradoja. Empezamos con un mapa de la Tierra. Puesto que la superficie de la Tierra es curva, no puede dibujarse en un plano sin sufrir distorsiones. Por ejemplo, en una proyección de Mercator, Groenlandia parece casi tan grande como América del Norte y mucho más grande que América del Sur y África; pero, por supuesto, está muy lejos de tener el tamaño de estos continentes. Lo que ocurre es que para aplanar la superficie de la Tierra se necesita un gran estiramiento.

Lo mismo es cierto si tratamos de aplanar una superficie negativamente curvada de modo que pueda dibujarse en un plano. No es fácil dibujar tal espacio pero, afortunadamente, un artista famoso ya ha hecho el trabajo. El famoso grabado en madera Círculo límite IV de M. C. Escher no es otra cosa que un espacio con curvatura uniforme y negativa dibujado en una hoja de papel plana. Todos los ángeles son del mismo tamaño, como también lo son todos los demonios. Pueden considerarse aproximadamente como galaxias. Pero para aplanar el espacio hay que estirar el centro y comprimir las partes distantes.

De hecho, la distancia desde el centro del espacio a la frontera es infinita. Hay que cruzar un número infinito de demonios (o de ángeles) para llegar al borde. Puesto que cada demonio es del mismo tamaño que cualquier otro, la distancia es también infinita. Sin embargo, el espacio infinito entero aparece como el interior de un círculo cuando es aplanado. Teniendo esto en mente no es tan difícil imaginar la geometría infinita encajada en una burbuja finita.

Círculo límite IV, de M. C. Escher

Lo que es especialmente extraño es que si el astrónomo quisiera estudiar la pared de dominio en expansión, siempre la encontraría infinitamente lejana. En el interior de la burbuja, la geometría del espacio no está acotada, pese al hecho de que en cualquier instante un observador exterior ve la burbuja como una esfera acotada. No es que un astrónomo dentro de la burbuja no pueda detectar luz procedente de la pared de dominio. Lo que sucede es que esa luz no parece venir de una frontera del espacio; más bien, parece venir de una frontera del tiempo, de lo que parece ser un big bang que tuvo lugar en el pasado. Ésta es una situación muy paradójica, un universo en expansión infinita dentro de una burbuja en expansión finita.

Saber que vivimos en un universo abierto y con curvatura negativa sería una poderosa razón para creer que nuestro universo de bolsillo evolucionó a partir de un momento de la historia durante el que había en un espacio en expansión exponencial. Esto parece una predicción clara, pero puede ser imposible de confirmar. El universo observable es demasiado grande y, hasta ahora, sólo hemos visto una minúscula parte del mismo. Sencillamente no vemos suficiente para saber si es curvo o plano.

¿Qué pasa con nuestro universo hoy? ¿Pueden formarse en otro ambiente burbujas que se expandan, crezcan y dominen nuestro universo de bolsillo? ¿Que nos sucedería si fuéramos engullidos por una burbuja semejante? La respuesta que sugiere la teoría de cuerdas es que un día estaremos envueltos en un ambiente destructivo, fatal para toda la vida. Recordemos que toda la evidencia apunta a que nuestro mundo tiene una constante cosmológica —un poco de energía de vacío—. No hay ninguna razón por la que no pueda producir una burbuja con menor energía. Y sabemos que hay tales lugares en el paisaje, a saber, la sepultura de universos: regiones supersimétricas donde la constante cosmológica es exactamente cero. Esperemos el tiempo suficiente y nos encontraremos en un vacío de este tipo. Por desgracia, como he explicado en el capítulo 7, ni siquiera formas de vida tan extrañas como teóricos de supercuerdas podrían sobrevivir en un mundo supersimétrico. Un universo supersimétrico podría ser extraordinariamente elegante, pero las leyes de la física en un mundo semejante no permiten la química ordinaria. No es solo la sepultura de universos: anuncia la muerte de toda la vida basada en la química.

Si es cierto que finalmente seremos engullidos en un ambiente supersimétrico hostil, ¿cuánto tiempo tendrá que transcurrir para eso? ¿Es algo que pueda suceder mañana, el año que viene, dentro de un millón de años? Como sucede con todas las fluctuaciones de las agitaciones cuánticas, la respuesta es que podría suceder en cualquier momento. La mecánica cuántica nos dice solamente qué probabilidad tiene en un momento dado. Y la respuesta es que es increíblemente poco probable que suceda pronto. De hecho, es poco probable que suceda en los próximos mil millones, un billón o mil billones de años. Las mejores estimaciones aproximadas sugieren que nuestro mundo durará ¡al menos un gugolplex de años y, probablemente, mucho más tiempo!^[88]

Dos visiones de la historia

Es difícil ver en qué podría estar equivocado el punto de vista del paisaje poblado. Se sigue de principios bien comprobados. De todas formas, hay cosas que preocupan seriamente. Quizá la cuestión más incómoda pueda resumirse en la siguiente crítica, compuesta de varias que he oído.

¿No es cierto que todos los demás universos de bolsillo están más allá de nuestro horizonte? Por definición, el horizonte divide el mundo en aquellos lugares de los que podemos obtener información y aquellos lugares que son absolutamente imposibles de observar. ¿No implica esto que, en teoría, los otros bolsillos son inobservables? Si es así, ¿qué diferencia pueden suponer? ¿Por qué deberíamos tener que apelar a la existencia de mundos que no tienen significado operacional para nosotros? El paisaje poblado suena más a metafísica que a física.

Puesto que pienso que esta cuestión es muy importante, el siguiente capítulo se dedica por entero a ello. De hecho, podría escribir fácilmente un libro entero sobre el tema de los horizontes, probablemente lo haré. Pero por ahora me limitaré a contrastar dos maneras de describir la historia del universo. La primera manera corresponde muy aproximadamente a la manera convencional de observar el universo. Observamos el universo desde dentro, por medio de diversos tipos de telescopios desde la superficie de la Tierra. Incluso si las observaciones se realizan desde el espacio —desde un satélite— los resultados de las observaciones son reenviados a la Tierra para análisis.

Las observaciones desde la Tierra están limitadas a cosas dentro de nuestro horizonte. No sólo no podemos ver nada que esté más allá del horizonte sino que tampoco nada de lo que haya detrás del horizonte puede tener ninguna influencia en nuestras observaciones. De modo que, ¿por qué no construir una historia que restrinja la atención a una única región causal? Ésta es una buena actitud pragmática que apruebo por completo.

¿Cuál es la historia del universo vista desde el punto de vista de un observador típico? Un buen punto de partida podría ser una región del espacio atrapada en un valle a gran altitud. La energía de vacío enormemente grande conduce a fuerzas repulsivas tan violentas que incluso partículas como los protones son destrozadas casi al instante. Ese mundo primordial es extraordinariamente inhóspito. Es también muy pequeño: el horizonte está sólo a una distancia minúscula, menor que el radio de un protón, y la región accesible al observador es microscópica, quizá no mucho mayor que la longitud de Planck. Obviamente, ningún observador real puede sobrevivir en este ambiente, pero ignoremos eso.

Al cabo de algún tiempo, se nuclea una burbuja y crece, ocupando toda la región accesible al observador. El propio observador se encuentra rodeado por un ambiente que es solamente un poco más amigable: la constante cosmológica es muy pequeña y el horizonte ha crecido, dejando algo más de espacio en el que deambular. Pese a todo, la constante cosmológica en el nuevo valle es demasiado grande para sentirse cómodo. Pero de nuevo crece una burbuja, que esta vez da como resultado un ambiente con una constante cosmológica algo menor. Tales cambios repentinos pueden suceder varias veces. El observador ve una sucesión de ambientes, ninguno de ellos adecuado para la vida. Finalmente se forma una burbuja con una energía de vacío exactamente cero: una burbuja de vacío supersimétrico. La burbuja evoluciona hasta un mundo abierto con curvatura negativa y deja de evolucionar. La probabilidad de pasar, en el camino hacia la sepultura, por uno de los ambientes extraordinariamente raros que soportan vida es extraordinariamente pequeña.

Pero supongamos que se hubiera formado una burbuja de nuestro tipo de universo antes de que se alcanzara el paisaje supersimétrico. Éste es un suceso muy improbable, dado lo escasos que son tales valles, pero puede suceder. ¿Evolucionaría la vida? Eso depende de cómo llegó allí exactamente la región del espacio. Una posibilidad entre muchas es que llegara inicialmente a la terraza inflacionaria. Eso es bueno. La inflación lleva a un universo hospitalario. Pero si la región llegó a nuestro valle desde otra dirección en el paisaje, se acaban todas las apuestas. Si no puede mantenerse durante un tiempo en la terraza, es muy probable que el universo nunca produzca suficiente calor y partículas que sean más tarde la materia de la vida.

Desde la perspectiva de un observador que ve una sucesión de ambientes que terminan en la sepultura, la probabilidad de vida es minúscula. Pero imaginemos ahora que pudiéramos salir del universo y verlo en conjunto. Desde la perspectiva de un megaverso entero, la historia no es una secuencia o serie de sucesos. La descripción del megaverso es una visión más paralela de las cosas: muchos universos de bolsillo que evolucionan en paralelo. A medida que evoluciona el megaverso, los universos de bolsillo se dispersan sobre todo el paisaje. Es absolutamente seguro que algunos —muy probablemente una fracción muy pequeña— acabarán en la terraza de vida. ¿A quién le importan todos las demás que terminaron mal? La vida se formará donde pueda hacerlo y sólo donde pueda.

Una vez más, una analogía biológica puede ser útil. Imaginemos el árbol de la vida, en el que cada rama es una especie. Si seguimos el árbol desde el tronco principal (las bacterias) hacia las ramas, procediendo aleatoriamente en cada bifurcación, llegaremos rápidamente hasta la extinción; todas las especies se extinguen. Pero si la tasa de evolución de nuevas especies supera a la tasa de extinción, el árbol continúa abriéndose. Si seguimos cualquier camino particular a la extinción, la probabilidad de encontrar vida inteligente es nula. Pero es prácticamente seguro que el árbol acabará dando una rama inteligente si crece el tiempo suficiente. La visión paralela es una visión mucho más optimista.

Muchos mundos

¿Qué pasaría si Alemania hubiera ganado la segunda guerra mundial? ¿O cómo sería la vida si el asteroide que mató a los dinosaurios hace sesenta y cinco millones de años no hubiera chocado con la Tierra? La idea de un mundo paralelo que tomó un curso diferente en una coyuntura histórica crítica es un tema favorito de los autores de ciencia ficción. Sin embargo, como ciencia real, yo siempre he descartado tales ideas como un absurdo frívolo. Pero para mi sorpresa me encuentro hablando y pensando precisamente en tales cosas. De hecho, todo este libro trata de universos paralelos: el megaverso es un mundo de universos de bolsillo que se hacen inconexos —totalmente fuera de contacto— cuando se alejan más allá del horizonte de los demás.

No soy ni mucho menos el primer físico que sostiene seriamente la posibilidad de que la realidad —cualquier cosa que esto signifique— contiene, además de nuestro propio mundo de experiencia, mundos alternativos con historias diferentes del nuestro. El tema ha sido parte de un debate continuado sobre la interpretación de la mecánica cuántica. A mitad de los años cincuenta, un joven estudiante de doctorado, Hugh Everett III, propuso una reinterpretación radical de la mecánica cuántica a la que llamó interpretación de los muchos mundos. La teoría de Everett consiste en que en cada coyuntura en la historia el mundo se desdobla en universos paralelos con historias alternativas. Aunque suena como una especulación extrema, algunos de los más grandes físicos modernos se han visto empujados por la extrañeza de la mecánica cuántica a abrazar las ideas de Everett —entre ellos Richard Feynman, Murray Gell-Mann, Steven Weinberg, John Wheeler y Stephen Hawking—. La interpretación de los muchos mundos fue la inspiración para el principio antrópico cuando Brandon Cárter lo formuló por primera vez en 1974.

A primera vista, puede parecer que los muchos mundos de Everett son una concepción muy diferente de la del megaverso que se infla eternamente. Sin embargo, creo que las dos pueden ser realmente lo mismo. He resaltado varias veces que la mecánica cuántica no es una teoría que predice el futuro a partir del pasado, sino que más bien determina las probabilidades para los posibles resultados alternativos de una observación. Estas probabilidades se resumen en el objeto matemático básico de la mecánica cuántica: la función de onda.

Si usted ha estudiado algo sobre mecánica cuántica y sabe que Schrödinger descubrió una ecuación de ondas que describe a los electrones, entonces usted ha oído hablar de funciones de onda. Quiero que olvide todo eso. La función de onda de Schrödinger era un caso muy especial de una idea mucho más amplia, y es en esta idea más general en la que quiero concentrarme. En cualquier instante dado —precisamente ahora, por ejemplo— hay muchas cosas que podríamos observar en el mundo. Yo podría decidir mirar por la ventana por encima de la mesa y ver si la Luna está arriba. O podría planear un experimento de doble rendija (véase el capítulo 1) y observar la localización de una mancha particular en la pantalla. Otro experimento implicaría un único neutrón que fue preparado algún tiempo atrás —digamos, hace diez minutos. Quizá usted recuerde del capítulo 1 que un neutrón, si no está ligado en un núcleo, es inestable. En promedio (pero sólo en promedio), en doce minutos se desintegrará en un protón, un electrón y un antineutrino. La observación en este caso consistiría en determinar si, después de diez minutos, el neutrón se ha desintegrado o sigue estando presente en su forma original. Cada uno de estos experimentos u observaciones tiene más de un resultado posible. En su sentido más general, la función de onda es una lista de las probabilidades para todos los resultados posibles de posibles observaciones del sistema bajo consideración. Más exactamente, es una lista de las raíces cuadradas de todas estas probabilidades.

El neutrón que se desintegra es una buena ilustración para empezar. Con algunas simplificaciones, podemos suponer que hay sólo dos resultados posibles cuando observamos el neutrón: o se ha desintegrado o no lo ha hecho. La lista de posibilidades es corta, y la función de onda tiene sólo dos entradas. Empezamos con el neutrón en su forma no desintegrada de modo que la función de onda toma el valor uno para la primera posibilidad y cero para la segunda. En otras palabras, inicialmente la probabilidad de que el neutrón no se haya desintegrado es uno, mientras que la probabilidad de que se haya desintegrado (cuando empezamos) es cero. Pero al cabo de un corto tiempo, hay una pequeña probabilidad de que el neutrón haya desaparecido. Las dos entradas para la función de onda han cambiado de uno y cero a algo un poco menor que uno y un poco mayor que cero. Al cabo de unos diez minutos, las dos entradas se han hecho iguales. Sigamos otros diez minutos y las probabilidades estarán invertidas: la probabilidad de que el neutrón siga intacto será próxima a cero y la probabilidad de que se haya convertido en un protón/electrón/antineutrino habrá aumentado hasta casi uno. La mecánica cuántica contiene un conjunto de reglas para actualizar la función de onda de un sistema a medida que pasa el tiempo. En su forma más general, el sistema de interés es todo: el universo observable entero, incluyendo al observador que hace las observaciones. Puesto que puede haber más de un bulto material que podría denominarse un observador, la teoría debe dar lugar a observaciones consistentes. La función de onda contiene todo esto y de una manera que se demostrará consistente cuando se junten dos observadores para discutir sus hallazgos.

Examinemos el mejor conocido de todos los experimentos mentales en física: el famoso (¿o debería decir infame?), experimento del gato de Schrödinger. Imaginemos que a mediodía se coloca un gato en una caja cerrada junto con un neutrón y una pistola. Cuando el neutrón se desintegra (aleatoriamente), el electrón expulsado activa un circuito que hace que la pistola se dispare y mate al gato.

Un practicante de la mecánica cuántica —llamémosle S— analizaría el experimento construyendo una función de onda: una lista de las probabilidades para los diversos resultados. S no puede tener en cuenta razonablemente todo el universo, así que limita el sistema de modo que incluya solo aquellas cosas que hay en la caja. A mediodía solo existiría una entrada: «El gato está vivo en la caja con la pistola cargada y el neutrón». Luego S hará algunas matemáticas, similares a las que se hacen al resolver las ecuaciones de Newton, para descubrir lo que sucederá a continuación, digamos a las 00:10 h. Pero el resultado no es una predicción de si el gato estará muerto o vivo. Es una actualización de la función de onda, que ahora tendrá dos entradas: «el neutrón está intacto / la pistola está cargada / el gato está vivo» y «el neutrón se ha desintegrado / la pistola está vacía / el gato está muerto». La función de onda se ha dividido en dos ramas —las ramas muerta y viva— cuyos valores numéricos dan las raíces cuadradas de las probabilidades para los dos resultados.

S puede abrir la caja y ver si el gato está muerto o vivo. Si el gato está vivo, S puede descartar la rama gato-muerto de la función de onda. Esa rama, si se siguiera en el tiempo, contendría toda la información sobre el mundo en el que murió el gato, pero puesto que S encontró el gato vivo ya no necesita más esta información. Hay un término para este proceso de desechar las ramas inobservadas de la función de onda cada vez que se hace una observación. Se denomina colapso de la función de onda. Es un truco muy conveniente que permite al físico concentrarse sólo en las cosas que pueden ser de interés posteriormente. Por ejemplo, la rama viva tiene información que puede seguir interesando a S. Si él sigue esta rama de la función de onda un poco más en el tiempo, sería capaz de determinar la probabilidad de que saliera el tiro por la culata y matara a S (le está bien empleado). El colapso de la función de onda cada vez que tiene lugar una observación es el ingrediente principal de la famosa interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica defendida por Niels Bohr.

Pero el colapso de la función de onda no es una parte de las matemáticas de la mecánica cuántica. Es algo extraño a las reglas matemáticas, algo que Bohr tuvo que añadir para terminar el experimento con una observación. Esta regla arbitraria ha molestado a generaciones de físicos. Una gran parte del problema es que S limitó su sistema a las cosas que había en la caja, pero al final del experimento el propio S entra en escena para hacer la observación. Ahora se entiende en general que una descripción consistente debe incluir necesariamente a S como parte del sistema.

Ésta es la manera en que procedería la nueva descripción: la función de onda describe ahora todo lo que hay en la caja además del bulto de materia que hemos llamado S. La función de onda inicial sigue teniendo sólo una entrada, pero ahora se describe así: «El gato vivo está en la caja con la pistola cargada y el neutrón, y el estado mental de S está en blanco». Pasa el tiempo y S abre la caja. Ahora la función de onda tiene dos entradas: «El neutrón está intacto / la pistola está cargada / el gato está vivo / el estado mental de S es consciente del gato vivo», y la segunda rama, «El neutrón se ha desintegrado / la pistola está vacía/el gato está muerto / el estado mental de S es consciente del gato muerto». Nos las hemos arreglado para describir las percepciones de S sin colapsar la función de onda.

Pero supongamos ahora que hay otro observador llamado B. B ha estado fuera de la habitación mientras S ha estado haciendo su extraño experimento. Cuando abre la puerta para mirar, lo que ve es uno de los dos resultados. No vale la pena seguir la pista de la rama inobservada de la función de onda, de modo que B colapsa la función de onda. Parece que no hemos evitado la extraña operación. Evidentemente, lo que tenemos que hacer es incluir a B en la función de onda. El punto de partida sería un sistema compuesto de todo lo que hay en la caja y dos bultos llamados S y B. El estado inicial es: «El gato vivo está en la caja con la pistola cargada y el neutrón, el estado mental de S está en blanco, y el estado mental de B (que está fuera de la habitación) está en blanco». Cuando S abre la caja, la función de onda desarrolla dos ramas: «El neutrón está intacto / la pistola está cargada / el gato está vivo / el estado mental de S es consciente de que el gato está vivo / el estado mental de B sigue estando en blanco» y «El neutrón se ha desintegrado / la pistola está vacía / el gato esta muerto / el estado mental de S es consciente del gato muerto / el estado mental de B sigue estando en blanco». Finalmente B abre la puerta, y la primera rama se convierte en: «El neutrón está intacto / la pistola está cargada / el gato está vivo / el estado mental de S es consciente del gato vivo / el estado mental de B es consciente del gato vivo y también del estado mental de S». Dejaré que el lector elaboré la otra rama. Lo importante es que el experimento ha sido descrito sin colapsar la función de onda.

Pero supongamos ahora que hay otro observador llamado E. No importa. Usted debería ser capaz de ver la pauta. Lo que es evidente es que la única manera de evitar el colapso de la función de onda es incluir el universo observable entero así como todas las ramas de la función de onda en la descripción cuántica. Ésa es la alternativa a la regla pragmática de Bohr de terminar la historia colapsando la función de onda.

Si pensamos al modo de Everett, la función de onda describe un árbol con una ramificación infinita de resultados posibles. Siguiendo a Bohr, la mayoría de los físicos han tendido a considerar las ramas como ficciones matemáticas, excepto la rama real en la que se encuentra uno mismo después de una observación. Colapsar la función de onda es un artificio útil para eliminar todo el equipaje innecesario, pero para muchos físicos esta regla parece ser una intervención externa arbitraria por parte del observador, un procedimiento que no esta basado en modo alguno en las matemáticas de la mecánica cuántica. ¿Por que deberían las matemáticas dar lugar a todas las demás ramas si su único papel es quedar descartadas?

Según los abogados de la interpretación de los muchos mundos, todas las ramas de la función de onda tienen la misma realidad. En cada coyuntura el mundo se desdobla en dos o más universos alternativos, que viven para siempre uno al lado del otro. La visión de Everett era la de una realidad que se ramifica incesantemente, pero con la salvedad de que las diferentes ramas nunca interaccionan entre sí una vez que se han separado. En la rama gato— vivo, la rama gato-muerto nunca volverá a molestar a S. La regla de Bohr es simplemente un truco para podar todas las ramas que, aunque muy reales, no tienen efecto posterior sobre el observador.

Hay otro punto que vale la pena señalar. Para cuando llegamos a la fase actual de la historia, la función de onda se ha ramificado tantas veces que hay un enorme número de réplicas de toda eventualidad posible. Consideremos al pobre B mientras está fuera de la habitación. La función de onda se ramificó cuando S abrió la caja, desdoblando así a todos ellos, incluyendo a B, en dos ramas. El número de ramas que le contienen a usted, sentado y leyendo este libro, es prácticamente infinito. En este marco el concepto de probabilidad tiene perfecto sentido como la frecuencia relativa de los diferentes resultados. Un resultado es más probable que otro si más ramas lo contienen.

La interpretación de los muchos mundos no puede distinguirse experimentalmente de la más convencional interpretación de Copenhague. Todo el mundo está de acuerdo en que, en la práctica, la regla de Copenhague da correctamente las probabilidades de los resultados experimentales. Pero las dos teorías difieren profundamente en el significado filosófico de dichas probabilidades. Los copenhaguistas adoptan la visión conservadora de que las probabilidades se refieren a la estadística de un gran número de experimentos repetidos. Pensemos en arrojar una moneda al aire. Si la moneda es «limpia», la probabilidad para cualquier resultado (cara o cruz) es un medio. Esto significa que si la moneda se lanza un gran número de veces, la fracción de caras y la fracción de cruces serán ambas de un medio. Cuanto mayor es el número de lanzamientos, más próxima estará la respuesta al resultado ideal un medio. Cosas similares se aplican al lanzamiento de dados. Si uno lanza un único dado muchas veces, el dado mostrará cada uno de los seis resultados posibles una sexta parte de las veces (dentro del margen de error). Normalmente nadie aplicaría la estadística a un único lanzamiento de la moneda o un único lanzamiento del dado. Pero la interpretación de los muchos mundos hace justamente eso. Trata con sucesos únicos de una manera que parecería ridícula para el lanzamiento de monedas. La idea de que cuando se lanza una moneda el mundo se desdobla en dos mundos paralelos —un mundo-cara y un mundo-cruz— no parece ser una idea útil.

¿Por qué, entonces, están los físicos tan molestos con las probabilidades que ocurren en mecánica cuántica que se ven empujados a ideas extrañas como la interpretación de los muchos mundos? ¿Por qué era Einstein tan insistente en que «Dios no juega a los dados»? Para entender el enigma que acompaña a la mecánica cuántica es útil preguntar por qué, en un mundo newtoniano de certeza absoluta, habría que hablar siquiera de la probabilidad. La respuesta es simple: las probabilidades entran en la física newtoniana por la sencilla razón de que casi siempre se ignoran las condiciones iniciales de un experimento. En el experimento de lanzar la moneda, si se conocieran los detalles exactos de la mano que arroja la moneda, las corrientes de aire en la habitación y todos los demás detalles relevantes, no habría necesidad de probabilidades. Cada lanzamiento llevaría a un resultado definido. La probabilidad es un truco conveniente para compensar nuestra incapacidad práctica para conocer los detalles. No tiene un papel fundamental en las leyes newtonianas.

Pero la mecánica cuántica es diferente. Debido al principio de incertidumbre no hay ninguna manera de predecir el resultado de un experimento… ninguna manera, en teoría. Las ecuaciones fundamentales de la teoría determinan una función de onda y nada más. La probabilidad entra en la teoría desde el principio. No es un truco de conveniencia utilizado para compensar nuestra ignorancia. Además, las ecuaciones que determinan cómo cambia la función de onda con el tiempo no tienen ninguna cláusula para colapsar repentinamente las ramas inobservadas. El colapso de la función de onda es el truco de conveniencia.

El problema se hace especialmente grande en el contexto cosmológico. Los experimentos ordinarios, similares al experimento de la doble rendija que he descrito en el capítulo 1, pueden repetirse una y otra vez, igual que el lanzamiento de la moneda. De hecho, cada fotón que atraviesa el aparato puede considerarse como un experimento independiente. No hay problema en acumular enormes cantidades de datos estadísticos. Pero el problema con esta concepción de la mecánica cuántica es que no podemos aplicarla al gran experimento cósmico. Difícilmente podemos repetir el big bang una y otra vez y reunir estadísticas de los resultados. Por esta razón, muchos cosmólogos reflexivos han adoptado el soporte filosófico de la interpretación de los muchos mundos.

La primitiva idea pionera de Cárter para hacer una síntesis del principio antrópico con la interpretación de los muchos mundos era ésta: supongamos que la función de onda incluye ramas no sólo para cosas tan ordinarias como la localización de un electrón, la desintegración o no desintegración del neutrón o la vida y la muerte de un gato, sino también para diferentes leyes de la física. Si suponemos que todas las ramas son igualmente reales, entonces hay mundos con muchos ambientes alternativos. En lenguaje moderno, diríamos que hay ramas (tanto como mundos reales) para cada localización en el paisaje. El resto de la historia no es diferente de lo que he explicado antes en este libro, excepto que en lugar de hablar de diferentes regiones del megaverso, uno hablaría de diferentes ramas de la realidad. Para puntualizar, déjeme hacer una cita del capítulo 1 y luego modificar la cita reemplazando algunas palabras. La cita original era ésta: «En algún lugar en el megaverso, la constante es igual a este número: en algún otro lugar es ese otro número. Vivimos en un bolsillo minúsculo donde el valor de la constante es compatible con nuestro tipo de vida». La cita modificada es la siguiente: «En algún lugar en la función de onda, la constante es igual a este número: en algún otro lugar es ese otro número. Vivimos en una rama minúscula donde el valor de la constante es compatible con nuestro tipo de vida». Aunque las dos citas parecen muy similares, se están refiriendo a dos ideas en apariencia completamente diferentes de universos alternativos. Parece que tenemos más de una manera de conseguir el tipo de diversidad que permitiría que el razonamiento antrópico tenga sentido. Podría añadir que diferentes proponentes del principio antrópico tienen opiniones diferentes sobre qué versión es la verdadera teoría de los universos paralelos. ¿Mi opinión? Creo que las dos versiones son versiones complementarias de exactamente la misma cosa.

Examinemos la situación con un poco más de detalle. Antes, en este mismo capítulo, he descrito dos visiones de una historia que se infla eternamente, las visiones paralela y serial. La visión paralela reconoce al megaverso entero con todos sus múltiples universos de bolsillo que, una vez separados por horizontes, están fuera de contacto. Eso suena muy parecido a los muchos mundos de Everett. Pero ¿qué pasa con la visión serial?

Consideremos un ejemplo. Supongamos que se ha formado una burbuja de espacio, con propiedades asociadas con un valle en el paisaje. Será útil tener algunos nombres para el valle y sus vecinos, de modo que le llamaremos Valle Central. Al este y al oeste del Valle Central hay valles Éste y Oeste, cada uno de ellos a altitudes algo menores. Desde el Valle Oeste puede llegarse a otros valles vecinos, uno llamado Shangri La y el otro Valle de la Muerte. El Valle de la Muerte no es realmente un valle, sino más bien una llanura a altitud exacta mente cero. El Valle Éste también tiene algunos vecinos a los que puede llegarse fácilmente, pero no nos molestaremos en darles nombres.

Imagínese a usted mismo en el Valle Central conforme se infla su universo de bolsillo. Puesto que hay valles vecinos más bajos, su vacío es metaestable: pueden formarse burbujas y envolverle. Después de cierto período de tiempo usted podría mirar alrededor y observar las propiedades de su entorno. Quizá encontrara que sigue estando en el Valle Central. O podría encontrar que ha hecho una transición al Valle Éste o al Valle Oeste. La decisión respecto a en qué valle habita usted ahora está determinada aleatoriamente de acuerdo con la mecánica cuántica, de manera muy parecida a cómo la mecánica cuántica determina el destino del gato de S.

Digamos que usted se encuentra ahora en el Valle Oeste. Podría descartar entonces la rama de su función de onda que corresponde al Valle Éste; es irrelevante para su futuro. De nuevo, espere un poco, y si tiene suerte quizá le engulla a continuación una burbuja en el agradable Valle Shangri La que soporta la vida. Pero también podría acábar en el Valle de la Muerte. En cada coyuntura Bohr y su banda de Copenhague le dirían cómo calcular la probabilidad de cada resultado.

Luego le instruirían para colapsar la función de onda para deshacerse del exceso de equipaje de aquellas ramas que no correspondían a su experiencia. Ésta es la visión serial de la historia.

Mi propia visión debería ser ahora obvia. La visión serial —quedarse en su propio bolsillo, dentro de su horizonte, observando sucesos y eliminando el equipaje inobservado— es la interpretación de Bohr de la mecánica cuántica. La visión paralela y más costosa de la historia, la del megaverso, es la interpretación de Everett. Encuentro en esta correspondencia una consistencia agradable. Quizá al final encontraremos que la mecánica cuántica tiene sentido solamente en el contexto de un megaverso que se ramifica y que el megaverso sólo tiene sentido como la realidad ramificante de la interpretación de Everett. Ya utilicemos el lenguaje del megaverso o la interpretación de los muchos mundos, la visión paralela, junto con el enorme paisaje de la teoría de cuerdas, nos proporciona los dos elementos que pueden hacer que el principio antrópico pase de ser una tautología estúpida a ser un poderoso principio organizador. Pero la visión paralela descansa en la realidad de regiones de espacio y tiempo que, en apariencia, están permanentemente más allá del alcance de cualquier observación concebible. Para algunas personas eso es turbador. A mí me perturba. Si el vasto mar de universos de bolsillos está realmente más allá de un horizonte definitivo, la visión paralela se parece más a metafísica que a ciencia. El capítulo siguiente trata de los horizontes y de si son realmente barreras definitivas.