Hamlet va dir: «Podria estar tancat en una closca de nou i considerar-me rei d’un espai infinit». Crec que el que volia dir és que, encara que els humans som físicament molt limitats, particularment en el meu propi cas, les nostres ments són lliures d’explorar tot l’Univers, i de gosar anar fins i tot allà on Star Trek tem trepitjar. És l’Univers realment infinit, o tan sols molt gran? Va tenir un començament? Durarà per sempre, o només per molt de temps? Com poden les nostres ments finites comprendre un Univers infinit? No és presumptuós fins i tot el fet d’intentar-ho?
A risc d’incórrer en el destí de Prometeu, que va robar el foc dels déus per a ús dels humans, crec que podem, i és necessari, tractar d’entendre l’Univers. El seu càstig consistí a ser encadenat a una roca per a tota l’eternitat, encara que feliçment en va ser alliberat per Hèrcules. Ja hem fet progressos remarcables en la comprensió del Cosmos, tot i que encara no en tenim una imatge completa. M’agrada pensar que potser no estem gaire lluny d’aconseguir-la.
Segons el poble dels boshongo, d’Àfrica central, al començament només hi havia la foscor, l’aigua i el gran déu Bumba. Un dia Bumba, amb mal d’estómac, va vomitar el Sol. El Sol va assecar part de l’aigua i en va deixar sorgir la terra. Adolorit encara, Bumba va vomitar la lluna, les estrelles i després alguns animals: el lleopard, el cocodril, la tortuga, i, finalment, l’home.
Aquests mites de creació, com molts d’altres, intenten respondre les preguntes que tothom es fa. Per què som aquí? D’on venim? La resposta més usual és que els humans són d’origen relativament recent perquè és obvi que l’espècie humana millora en coneixement i en tecnologia. Per tant, no pot haver existit gaire temps ja que si fos així hauria progressat molt més encara. Per exemple, segons el bisbe Ussher, el Gènesi situa el començament del temps en el capvespre del 22 d’octubre de 4004 abans de Crist a les 6 de la tarda. En canvi, l’entorn físic, com les muntanyes i els rius, canvia molt poc en la vida d’un humà. Per tant, es considerava que eren un fons constant, que o bé va existir des de sempre com un paisatge buit, o bé va ser creat al mateix temps que els humans.
Però no tothom se sentia satisfet amb la idea que l’Univers hagués tingut un començament. Per exemple, Aristòtil, el més famós dels filòsofs grecs, creia que l’Univers havia d’haver existit sempre. Una cosa eterna és més perfecta que una cosa creada. Va suggerir que la raó per la qual veiem progrés és que s’havien anat repetint inundacions o altres desastres naturals que feien retrocedir la civilització al seu començament. La motivació per creure en un Univers etern era el desig d’evitar invocar la intervenció divina per crear l’Univers i posar-lo en marxa. En canvi, aquells que creien que l’Univers va tenir un començament, el van fer servir com a argument per a l’existència de Déu com a primera causa, o primer motor, de l’Univers.
Si hom creia que l’Univers va tenir un començament, les preguntes òbvies eren: Què va succeir abans del començament? Què feia Déu abans de fer el món? Preparava l’infern per a les persones que fessin aquestes preguntes? El problema de si l’Univers va tenir o no un començament va ser una gran preocupació per al filòsof alemany Immanuel Kant. Va constatar que, tant si en té com si no, hi havia contradiccions lògiques, o antinòmies. Si l’Univers ha tingut un començament, per què va transcórrer un lapse de temps infinit abans que comencés? Va anomenar-ho la tesi. D’altra banda, si l’Univers ha existit sempre, per què ha trigat un temps infinit a arribar a l’etapa actual? Va anomenar-ho l’antítesi. Tant la tesi com l’antítesi depenien del fet que Kant suposava, com gairebé tothom de la seva època, que el temps és absolut. És a dir, que el temps va del passat infinit al futur infinit independentment de qualsevol univers que hagi pogut existir o deixat d’existir.
Aquesta continua essent la imatge que en tenen molts científics d’avui. Però el 1915, Einstein va presentar la seva revolucionària teoria general de la relativitat. En aquesta teoria, l’espai i el temps no són absoluts, ni són un fons fix per als esdeveniments, sinó magnituds dinàmiques que van ser afaiçonades per la matèria i l’energia en l’Univers, i que tan sols estan definides dins de l’Univers, per la qual cosa no té sentit parlar d’un temps abans que l’Univers comencés. Això seria com preguntar per un punt al sud del Pol Sud. No està definit.
Encara que la teoria d’Einstein va unificar el temps i l’espai, no ens diu gaires coses sobre l’espai en si. Una cosa aparentment òbvia és que l’espai segueix i segueix i segueix. No esperem que l’Univers acabi en una paret de maó, tot i que no hi ha cap raó lògica per la qual això no pugui passar. Però instruments moderns com el telescopi espacial Hubble ens permeten explorar profundament en l’espai. El que hi veiem són centenars de milers de milions de galàxies, de formes o grandàries diverses. Hi ha galàxies el·líptiques gegants i galàxies espirals com la nostra. Cada galàxia conté centenars de milers de milions d’estrelles, moltes de les quals tenen planetes al seu voltant. La nostra pròpia galàxia intercepta la visió en algunes direccions però, tret d’això, les galàxies es distribueixen de manera aproximadament uniforme en l’espai, amb algunes concentracions locals i buits locals. La densitat del nombre de galàxies sembla disminuir a distàncies molt grans, però sembla que això és degut simplement al fet que estan tan lluny i es veuen tan febles que no podem distingir-les. Pel que podem dir, l’Univers es perllonga indefinidament en l’espai, més o menys semblant a tal com és aquí.
Encara que l’Univers aparentment és molt semblant en cada posició en l’espai, definitivament canvia en el temps. Això no es va observar fins als primers anys del segle passat. Fins llavors, es creia que l’Univers era essencialment constant en el temps. Podria haver existit durant un temps infinit, però això semblava portar a conclusions absurdes. Si les estrelles haguessin estat radiant durant un temps infinit, haurien escalfat l’Univers fins a la seva temperatura. Fins i tot a la nit, el cel brillaria tant com el Sol, perquè cada línia de visió acabaria o bé en una estrella, o en un núvol de pols que s’hauria escalfat fins a la temperatura de les estrelles. Per tant, l’observació, que tothom ha fet, que el cel a la nit és fosc, és molt important. Implica que l’Univers no pot haver existit sempre en l’estat que el veiem avui. Alguna cosa degué succeir en el passat per fer que les estrelles s’encenguessin fa un temps finit. Així, la llum de les estrelles molt distants encara no hauria tingut temps d’arribar-nos. Això explicaria per què el cel nocturn no brilla en totes direccions.
Si les estrelles haguessin estat al seu lloc des de sempre, per què es van encendre sobtadament fa uns quants milers de milions d’anys? Quin rellotge els va indicar que havia arribat l’hora de brillar? Això va desconcertar els filòsofs, com Immanuel Kant, que creien que l’Univers havia existit sempre. Però per a la majoria de la gent això resultava consistent amb la idea que l’Univers havia estat creat tal com és ara, fa només uns pocs milers d’anys, com havia conclòs el bisbe Ussher. No obstant això, les discrepàncies amb aquesta idea van començar a aparèixer amb observacions del telescopi de centenars de polzades de l’observatori de Mount Wilson, en la dècada dels anys vint. Primer, Edwin Hubble va descobrir que moltes taques de llum molt febles, anomenades nebuloses, eren de fet galàxies, grans col·leccions d’estrelles com el Sol, però a una gran distància. Perquè semblessin tan petites i febles, les distàncies havien de ser tan grans que la seva llum hauria trigat milions o fins i tot milers de milions d’anys, per arribar a nosaltres. Això indicà que el començament de l’Univers no podia haver-se produït fa tan sols uns milers d’anys.
Però la segona cosa que va descobrir Hubble va resultar ser encara més notable. Analitzant la llum de les galàxies, Hubble va poder mesurar si s’acostaven cap a nosaltres o se n’allunyaven. Amb gran sorpresa seva, va descobrir que gairebé totes s’allunyaven. A més, com més lluny eren, més ràpidament s’allunyaven. En altres paraules, l’Univers s’expandeix. Les galàxies se separen les unes de les altres.
El descobriment de l’expansió de l’Univers va ser una de les grans revolucions intel·lectuals del segle XX. Va ser una sorpresa total, i va canviar completament la discussió sobre l’origen de l’Univers. Si les galàxies se separen, havien d’haver estat més juntes en el passat. A partir del ritme d’expansió actual, podem estimar que fa d’uns deu a uns quinze mil milions d’anys van haver d’estar molt juntes. Sembla, doncs, que l’Univers podria haver començat en aquella època, amb tot el seu contingut en el mateix punt de l’espai.
Però molts científics se sentien insatisfets amb la idea que l’Univers hagués tingut un començament, perquè semblava implicar que la física deixava de ser vàlida. Caldria invocar un agent extern, que a efectes pràctics podem anomenar Déu, per determinar com va començar l’Univers. Per evitar-ho, van proposar teories en què malgrat que l’Univers s’expandeixi, no ha tingut cap començament. Una d’elles era la teoria de l’estat estacionari proposada per Hermann Bondi, Thomas Gold i Fred Hoyle el 1948.
En la teoria de l’estat estacionari, la idea era que a mesura que les galàxies se separaven, se’n formaven de noves a partir de matèria que, segons se suposava, es creava contínuament arreu de l’espai. L’Univers hauria existit sempre i sempre hauria tingut el mateix aspecte. Aquesta última propietat tenia la gran virtut de constituir una predicció concreta que podria ser sotmesa a observació. En la dècada de 1960, el grup de radioastronomia de Cambridge, dirigit per Martin Ryle, va fer un ampli estudi de radiofonts febles que va indicar que es distribueixen de manera força uniforme a tot el cel, cosa que revela que la majoria d’aquestes fonts es troben fora de la nostra galàxia. De mitjana, les fonts més febles estarien més allunyades.
La teoria de l’estat estacionari predeia una relació entre el nombre de fonts i les seves intensitats. Però les observacions van mostrar més fonts febles que les predites, cosa que indica que la densitat de fonts va ser més gran en el passat. Això contradeia la suposició bàsica de la teoria de l’estat estacionari que tot es mantenia constant en el temps. Per això, i per d’altres motius, la teoria de l’estat estacionari va ser abandonada.
Un altre intent d’evitar que l’Univers hagués tingut un començament va ser el suggeriment que hi havia hagut una fase prèvia de contracció, però a causa de la rotació i de les irregularitats locals, no totes les galàxies haurien coincidit al mateix punt. Les diferents galàxies haurien passat les unes al costat de les altres i l’Univers s’hauria tornat a expandir amb densitat sempre finita. Fins i tot, dos físics russos, Ievgueni Lifxitz i Issak Khalatnikov, afirmaren haver demostrat que una contracció general sense simetria exacta conduiria sempre a un rebot, amb densitat sempre finita. Aquest resultat convenia molt al materialisme dialèctic marxistaleninista, perquè evitava preguntes incòmodes sobre la creació de l’Univers. Per tant, es va convertir en un article de fe per als científics soviètics.
El començament de la meva recerca en cosmologia es va produir gairebé al mateix temps en què Lifxitz i Khalatnikov van publicar la seva conclusió que l’Univers no havia tingut començament. Em vaig adonar que això era una qüestió molt important, però no em van convèncer els arguments que Lifxitz i Khalatnikov havien fet servir.
Estem acostumats a la idea que els esdeveniments estan causats per esdeveniments anteriors, que al seu torn estan causats per esdeveniments encara anteriors. Hi ha una cadena de causalitat que es remunta al passat. Però suposem que aquesta cadena té un començament, suposem que hi va haver un primer esdeveniment. Què el va causar? Aquesta no era una pregunta que gaires científics volguessin abordar. Intentaven evitar-la, ja sigui suposant, com els russos i els teòrics de l’estat estacionari, que l’Univers no va tenir començament, o sostenint que el seu inici no estava dins de l’àmbit de la ciència sinó que corresponia a la metafísica o a la religió. A parer meu, cap científic veritable hauria de prendre aquesta posició. Si les lleis de la ciència queden en suspens al començament de l’Univers, és possible que també fallin en altres moments. Una llei no és una llei si només es compleix de vegades. Crec que hauríem de tractar d’entendre el començament de l’Univers a partir de la ciència. Pot ser una tasca més enllà del nostre abast però, si més no, hauríem d’intentar-la.
Roger Penrose i jo vam aconseguir provar teoremes geomètrics que demostraven que si la teoria de la relativitat general d’Einstein és correcta, i si se satisfan certes condicions raonables, l’Univers ha d’haver tingut un començament. És difícil discutir amb un teorema matemàtic, de manera que al final Lifxitz i Khalatnikov van admetre que l’Univers hauria d’haver tingut un començament. Encara que la idea d’un començament de l’Univers no fos benvinguda per les idees comunistes, mai no es va permetre que la ideologia s’interposés en el camí de la física. La física era necessària per a la bomba i era important que funcionés. En canvi, la ideologia soviètica va impedir el progrés en biologia en negar la veritat de la genètica.
Tot i que els teoremes que Roger Penrose i jo vam demostrar indicaven que l’Univers va haver de tenir un començament, no donaven gaire informació sobre la naturalesa d’aquest començament. Indicaven que l’Univers va començar en un Big Bang, un instant en què tot l’Univers, i tot el seu contingut, es va comprimir en un sol punt de densitat infinita, una singularitat de l’espaitemps. En aquest punt, la teoria de la relativitat general d’Einstein hauria deixat de ser vàlida. Per tant, no podem usar-la per dir com va començar l’Univers. Ens quedem, doncs, amb l’origen de l’Univers aparentment fora de l’abast de la ciència.
L’evidència observacional que confirmava la idea que l’Univers va tenir un començament molt dens va arribar l’octubre del 1965, uns mesos després del meu primer resultat sobre la singularitat, amb el descobriment d’un tènue fons de microones arreu de l’espai. Aquestes microones són les mateixes que les dels forns de microones, però molt menys potents. Escalfarien una pizza tan sols a 270.4 graus Celsius sota zero, cosa no gaire adient per descongelar una pizza, i menys encara per cuinar-la. Podem observar aquestes microones sintonitzant el televisor en un canal buit. Un petit tant per cent de la neu que veiem a la pantalla és degut a aquest fons de microones. L’única interpretació raonable del fons és que és la radiació romanent d’un estat primerenc molt calent i dens. A mesura que l’Univers es va expandir, la radiació s’hauria refredat fins a reduir-se al tènue residu que actualment n’observem.
Que l’Univers hagués començat amb una singularitat no era una idea que ens agradés gaire, ni a mi ni a d’altres. La raó per la qual la relativitat general d’Einstein deixa de valdre prop del Big Bang és que es tracta del que en diem una teoria clàssica. És a dir, suposa implícitament el que sembla obvi i de sentit comú: que cada partícula té una posició i una velocitat ben definides. En una teoria clàssica així, si coneguéssim simultàniament les posicions i les velocitats de totes les partícules de l’Univers, podríem calcular on estarien en qualsevol altre moment, passat o futur. Però a començaments del segle XX, els científics van descobrir que no podien calcular exactament el que passaria a distàncies molt curtes. No era només que calguessin teories millors. Sembla que en la naturalesa hi ha un cert nivell d’aleatorietat o incertesa que no pot ser eliminat per molt bones que siguin les teories. Això es pot resumir en el principi d’incertesa, formulat el 1927 pel científic alemany Werner Heisenberg. No és possible predir amb exactitud tant la posició com la velocitat d’una partícula. Com més exactament es prediu la posició, amb menor precisió se’n pot predir la velocitat, i viceversa.
Einstein va objectar fortament la idea que l’Univers està governat per l’atzar. Els seus sentiments van ser resumits en la seva dita «Déu no juga als daus». Però totes les evidències apunten que Déu és força bon jugador. L’Univers és com un casino gegant amb daus i ruletes. El propietari d’un casino corre el risc de perdre diners cada vegada que es llancen els daus o que es fa girar la ruleta. Però en un gran nombre d’apostes, les probabilitats es compensen entre si i el propietari del casino s’assegura que el seu valor mitjà vagi a favor seu. Per això els amos de casinos són tan rics. L’única possibilitat que teniu de guanyar-los és apostar tots els vostres diners en alguns llançaments de daus o de voltes de la ruleta.
El mateix passa amb l’Univers. Quan l’Univers és gran, hi ha molts llançaments de daus, i els valors mitjans dels resultats poden ser predits. Però quan l’Univers és molt petit, a prop del Big Bang, el nombre de llançaments de daus és petit i el principi d’incertesa hi és molt important. Per tant, per entendre l’origen de l’Univers cal incorporar el principi d’incertesa a la teoria general de la relativitat d’Einstein. Aquest ha estat el gran desafiament en física teòrica en els darrers trenta anys. Encara no l’hem resolt, però hi hem progressat molt.
Ara suposem que tractem de predir el futur. Com que només coneixem una certa combinació de la posició i la velocitat d’una partícula, no podem fer prediccions precises sobre les seves posicions i les velocitats futures. Només podem assignar una probabilitat a cada combinació particular de posicions i velocitats. Per tant, hi ha una certa probabilitat d’un futur particular de l’Univers. Però ara suposem que intentem comprendre el passat de la mateixa manera.
Donada la natura de les observacions que podem fer ara, tot el que podem fer és assignar una probabilitat a una història particular de l’Univers. Per tant, l’Univers ha de tenir cada història possible, cadascuna amb la seva pròpia probabilitat. Ha d’haver-hi una història de l’Univers en què Anglaterra torna a guanyar la Copa del Món, encara que potser la probabilitat és baixa. La idea que l’Univers té múltiples històries pot semblar ciència-ficció, però és ara acceptada com a fet científic. És deguda a Richard Feynman, que va treballar a l’eminentment respectable Institut de Tecnologia de Califòrnia, i que tocava de vegades els timbals de bongo en un local de carretera. La idea en què es basa l’enfocament de Feynman sobre com funcionen les coses consisteix a assignar una probabilitat particular a cada història. Funciona espectacularment bé per predir el futur, de manera que pensem que també funciona bé per explorar el passat.
Actualment, els científics treballen per combinar la teoria de la relativitat general d’Einstein i la idea de Feynman d’històries múltiples, en una teoria unificada completa que descrigui tot el que passa en l’Univers. Aquesta teoria unificada ens permetrà calcular com evolucionarà l’Univers, si coneixem el seu estat en un moment donat. Però la teoria unificada en si no ens dirà com va començar l’Univers, ni quin va ser el seu estat inicial. Per a això, necessitem les anomenades condicions de frontera, que diuen el que passa a les fronteres de l’Univers, a les vores de l’espai i del temps. Però si la frontera de l’Univers fos un punt normal de l’espai i del temps, podríem traspassar-lo i reclamar el territori de més enllà com a part de l’Univers. D’altra banda, si el límit de l’Univers consistís en una frontera irregular on l’espai o el temps s’arronsessin i la densitat es fes infinita, seria molt difícil definir condicions de frontera significatives.
Però Jim Hartle, de la Universitat de Califòrnia a Santa Bàrbara, i jo ens vam adonar que hi havia una tercera possibilitat: potser l’Univers no té fronteres en l’espai i el temps. A primera vista, això sembla contradir directament els teoremes geomètrics que he esmentat abans, que demostren que l’Univers ha d’haver tingut un començament, un límit en el temps. Però per tal de fer que les tècniques de Feynman estiguin ben definides matemàticament, els matemàtics van elaborar un concepte anomenat temps imaginari. No té res a veure amb el temps real que experimentem, sinó que és un truc matemàtic per fer que els càlculs funcionin i substitueix el temps real que experimentem. La nostra idea va consistir a dir que en el temps imaginari no hi ha fronteres. Això evita que calgui intentar inventar condicions de frontera. Ho vam anomenar proposta d’absència de fronteres.
Si la condició de frontera de l’Univers és que no té frontera en el temps imaginari, no tindrà una única història. Hi ha moltes històries en el temps imaginari, i cadascuna d’elles determina una història en el temps real. Per tant, tenim una superabundància d’històries per a l’Univers. Què selecciona la història particular o el conjunt d’històries en què vivim, del conjunt de totes les històries possibles de l’Univers?
Un punt que podem notar és que moltes d’aquestes possibles històries de l’Univers no passen per la seqüència de formació de galàxies i estrelles, que va ser essencial per al nostre propi desenvolupament. És possible que éssers intel·ligents puguin evolucionar sense galàxies i estrelles, però sembla poc probable. Així, el fet que existim com a éssers que es poden fer la pregunta «Per què l’Univers és com és?» és una restricció sobre la història en què vivim. Implica que és una entre la minoria d’històries que contenen galàxies i estrelles. Aquest és un exemple del que es coneix com a principi antròpic, que diu que l’Univers ha de ser més o menys com el veiem, perquè si fos diferent no hi hauria ningú per observar-lo.
Molts científics detesten el principi antròpic perquè els sembla imprecís i sense gaire poder predictiu. Però el principi antròpic pot ser formulat de manera precisa, i sembla essencial quan es considera l’origen de l’Univers. La teoria M, que és el millor candidat per a una teoria unificada completa, permet un gran nombre d’històries possibles de l’Univers. La majoria d’aquestes històries són molt poc adients per al desenvolupament de vida intel·ligent: o estan buides, o duren massa poc, o estan massa corbades, o fallen d’alguna altra manera. Però segons la idea de múltiples històries de Richard Feynman, aquestes històries deshabitades poden tenir una probabilitat bastant alta.
En realitat, no ens importa quantes històries pugui haver-hi que no continguin éssers intel·ligents. Només ens interessa el subconjunt d’històries en què s’hi desenvolupa vida intel·ligent. No cal que la vida intel·ligent sigui com la dels humans: petits homes verds també valdrien. De fet, podrien fer-ho millor que nosaltres: l’espècie humana no té un historial gaire reeixit pel que fa a comportament intel·ligent.
Com a exemple del poder del principi antròpic, considerem el nombre de direccions de l’espai. És una experiència comuna que vivim en un espai tridimensional. És a dir, podem representar la posició d’un punt en l’espai mitjançant tres nombres, per exemple, latitud, longitud i altura sobre el nivell del mar. Però per què l’espai és tridimensional? Per què no hi ha dues, quatre o algun altre nombre de dimensions, com en ciència-ficció? De fet, en la teoria M l’espai té deu dimensions, però es creu que set d’elles estan corbades sobre si mateixes amb un radi molt petit, de manera que deixen tres direccions grans i gairebé planes. És com una palla de beure: la superfície d’una palla és bidimensional, però una de les dues direccions està corbada en un cercle petit, de manera que, de lluny, la palla sembla una línia unidimensional.
Per què no vivim en una història en què vuit dimensions estiguin corbades amb un radi diminut, de manera que deixin només dues dimensions extenses? Per a un animal bidimensional la digestió resultaria una feina difícil. Si el travessés un budell, com nosaltres, el dividiria en dos i la pobra criatura s’esfondraria. Per tant, dues direccions extenses són insuficients per a una cosa tan complicada com la vida intel·ligent. Hi ha alguna cosa especial en els espais de tres dimensions, i és que els planetes hi poden tenir òrbites estables al voltant de les estrelles. Això és una conseqüència que la gravitació obeeix la llei de l’invers dels quadrats, tal com va descobrir Robert Hooke i ho va elaborar Isaac Newton. Pensem en l’atracció gravitatòria entre dos cossos separats una certa distància. Si la distància es duplica, la força es redueix en un factor quatre. Si es triplica, es redueix en un factor nou. Si es quadruplica, es divideix per setze, i així successivament. Això porta a òrbites planetàries estables. Ara, penseu en un espai de quatre dimensions. La gravitació hi obeiria una llei de l’invers dels cubs. Per tant, si la distància entre dos cossos es dupliqués, la força gravitatòria es reduiria en un factor vuit, si es tripliqués es reduiria en un factor vint-i-set i si es quadrupliqués, es reduiria en un factor seixanta-quatre. Aquest canvi respecte de la llei de l’invers dels quadrats impedeix que els planetes tinguin òrbites estables al voltant dels seus sols. O bé caurien al seu sol, o escaparien a la foscor i fred exteriors. De la mateixa manera, les òrbites dels electrons en els àtoms no serien estables, així que no existiria la matèria tal com la coneixem. Per tant, encara que la idea d’històries múltiples permetria qualsevol nombre de direccions extenses, només les històries amb tres direccions extenses podran contenir éssers intel·ligents. Només en aquestes històries es formularà la pregunta de per què l’espai té tres dimensions.
Una característica remarcable de l’Univers que observem és el fons de microones descobert per Arno Penzias i Robert Wilson. En essència, és un romanent fòssil de quan l’Univers era molt jove. Aquest fons és gairebé el mateix, independentment de la direcció cap on es miri. Les diferències entre diferents direccions són de l’ordre d’una part en 100.000. Aquestes diferències són increïblement petites i necessiten ser explicades. L’explicació més generalment acceptada d’aquesta homogeneïtat és que en etapes molt primerenques de la història de l’Univers hi va haver un període d’expansió molt ràpida, en un factor de l’ordre de mil bilions de bilions. Aquest procés es coneix com a inflació, i va ser bo per a l’Univers, a diferència del que passa amb la inflació de preus que massa sovint ens assota. Si això fos tot, la radiació de microones seria totalment idèntica en totes les direccions. De manera que, d’on van venir aquestes discrepàncies diminutes?
A començaments del 1982, vaig escriure un article proposant que aquestes diferències provenien de les fluctuacions quàntiques en el període inflacionari. Les fluctuacions quàntiques són una conseqüència del principi d’incertesa. A més, aquestes fluctuacions van ser les llavors de les estructures del nostre Univers, de les estrelles, de les galàxies i de nosaltres mateixos. Aquesta idea és bàsicament el mateix mecanisme que l’anomenada radiació de Hawking de l’horitzó dels forats negres, que vaig predir una dècada abans, excepte que ara prové de l’horitzó cosmològic, la superfície que separa la part que podem veure de l’Univers de la part que no en podem veure. Aquell estiu vam celebrar un congrés a Cambridge al qual van assistir totes les principals figures en aquest camp. En aquella reunió, vam establir la major part de la imatge actual de la inflació, incloses les importantíssimes fluctuacions de densitat, que donen lloc a la formació de galàxies i a la nostra existència. Diverses persones van contribuir a la resposta final. Això va ser deu anys abans que les fluctuacions en el fons còsmic de microones fossin descobertes pel satèl·lit COBE el 1993, de manera que la teoria anava molt al davant de l’experiment.
Deu anys més tard, el 2003, la cosmologia va esdevenir una ciència de precisió, amb els primers resultats del satèl·lit WMAP. El WMAP va produir un mapa meravellós de la temperatura del fons còsmic de microones, una instantània de quan l’Univers tenia aproximadament una centèsima part de la seva edat actual. Les irregularitats que s’hi observen són les predites per la inflació, i signifiquen que algunes regions de l’Univers tenien una densitat lleugerament més alta que d’altres. L’atracció gravitatòria de la densitat addicional alenteix l’expansió d’aquesta regió, i pot fer que acabi per col·lapsar-se formant galàxies i estrelles. Així que observi amb força atenció el mapa del cel de microones: és l’avantprojecte de tota l’estructura de l’Univers. Som producte de les fluctuacions quàntiques de l’Univers molt primitiu. Déu realment juga als daus.
El satèl·lit WMAP ha estat substituït pel satèl·lit Planck, amb un mapa de l’Univers de resolució molt més alta. El satèl·lit Planck posa a prova seriosament les nostres teories, i fins i tot pot detectar l’empremta de les ones gravitatòries predites per la inflació. Això seria la gravetat quàntica escrita al cel.
Hi pot haver altres universos. La teoria M prediu que es van crear molts universos del no-res, corresponents a les diferents històries possibles. Cada Univers té moltes històries possibles i molts estats possibles en temps posteriors, és a dir, en instants com l’actual, molt després de la creació de l’Univers. La majoria d’aquests estats seran bastant diferents de l’Univers que observem.
Encara hi ha esperança que vegem la primera evidència de la teoria M a l’accelerador de partícules LHC a Ginebra. Des de la perspectiva de la teoria M, l’accelerador només detecta baixes energies, però podríem estar de sort i trobar algun senyal més feble de la teoria fonamental, com ara la supersimetria. Crec que el descobriment dels socis supersimètrics de les partícules ja conegudes revolucionaria la nostra comprensió de l’Univers.
El 2012 es va anunciar el descobriment de la partícula de Higgs en el Gran Col·lisionador d’Hadrons LHC en el CERN de Ginebra. Era el primer descobriment d’una nova partícula elemental en el segle XXI. Hi ha encara alguna esperança que l’LHC descobreixi la supersimetria. Però fins i tot si l’LHC no descobreix cap nova partícula elemental, la supersimetria encara es podria trobar en la propera generació d’acceleradors que actualment es planteja.
El començament de l’Univers en el Big Bang calent és el laboratori definitiu d’altes energies per posar a prova la teoria M i les idees sobre els blocs constituents de l’espaitemps i de la matèria. Diferents teories deixen empremtes diferents en l’estructura actual de l’Univers, de manera que les dades astrofísiques poden donar-nos pistes sobre la unificació de totes les forces de la natura. Així que hi pot haver altres universos, però dissortadament mai no podrem explorar-los.
Hem vist algunes coses sobre l’origen de l’Univers. Però això deixa dues grans preguntes. L’Univers s’acabarà? L’Univers és únic?
Quin serà el comportament futur de les històries més probables de l’Univers? Aquí sembla haver-hi diverses possibilitats compatibles amb l’aparició d’éssers intel·ligents. Depenen de la quantitat de matèria en l’Univers. Si supera una certa quantitat crítica, l’atracció gravitacional entre les galàxies n’alentirà l’expansió.
Al final, les galàxies començaran a caure les unes cap a les altres, i totes s’uniran en una Gran Implosió o Big Crunch, que serà la fi de la història de l’Univers en el temps real. Quan era a l’Extrem Orient em van demanar que no esmentés el Big Crunch, per l’efecte que pogués tenir en els mercats. Però malgrat això els mercats es van col·lapsar, així que potser la història es va produir, d’alguna manera. En aquest país, la gent no sembla gaire preocupada per un possible final, situat a uns vint mil milions d’anys en el futur. Es pot menjar i beure molt i ser ben feliç, abans d’això.
Si la densitat de l’Univers està per sota del valor crític, la gravetat és massa feble per impedir que les galàxies es continuïn separant sempre més. Totes les estrelles es consumiran i l’Univers s’anirà quedant més i més buit, i més i més fred. Llavors, de nou, les coses arribaran a la seva fi, però en una forma menys dramàtica. Tot i això, tenim alguns milers de milions d’anys per davant.
En aquesta resposta he tractat d’explicar algunes coses sobre els orígens, el futur i la naturalesa del nostre Univers. En el temps imaginari, va començar com una esfera petita i lleugerament aplanada, força semblant a una closca de nou, amb la qual vaig començar el capítol. Però aquesta closca codifica tot el que succeeix en el temps real. Així doncs, Hamlet tenia raó. En poques paraules: podem estar confinats en una closca de nou sense deixar de considerar-nos reis d’un espai infinit.