Juan de la Cruz Gómez Pérez

UNA MIRADA A “EL GRAN DISEÑO” DE HAWKING: EL VACÍO CUÁNTICO, LA NADA, EL UNIVERSO

Y LA TEORÍA M Por:

Juan de la Cruz Gómez Pérez

Cuando se reflexiona, analiza e interpreta escrupulosamente la obra, El Gran Diseño, de Stephen Hawking y Leonard Mlodinow, de la Editorial Crítica, Barcelona, 1ra edición en

Argentina, 2010, resulta ser una obra de divulgación científica de enorme valor histórico, porque orienta y pone en contacto al lector o lectora, sobre la historia del pensamiento científico, en la búsqueda constante de los seres humanos por entender, comprender y explicar las leyes fundamentales que gobiernan el universo. Estas leyes los seres humanos las han ido descubriendo paulatinamente a través del tiempo, asimismo, renueva el pensamiento científico, porque responde las preguntas fundamentales de la existencia y de la procedencia de los universos, en función de las principales teorías científicas del

presente, sobre todo la Teoría M, la cual explica en el lenguaje de las matemáticas, de manera consistente, con una lógica interna, objetiva y racional, el origen de los multiversos o universos paralelos. Es una obra monumental de una claridad expositiva-explicativa que supera a su famoso best-seller, Historia del Tiempo del Big Bang a los Agujeros Negros, acompañada de una conceptualización precisa y exacta propia del rigor científico con que se deben explicar y comunicar los fenómenos que ocurren en el universo o los universos, así como al propio universo, donde se desarrolla la vida inteligente que nosotros conocemos.

La obra tiene consecuencias trascendentales, porque responde con profundidad, originalidad y elegancia las preguntas primordiales con relación al comportamiento y el por qué del universo en que vivimos. Entre esas preguntas están: ¿Cómo se comporta el universo? ¿Por qué el comportamiento del universo? ¿Por qué hay algo en lugar de no haber nada? ¿Por qué existimos? ¿Por qué este conjunto particular de leyes y no otro? En la obra, se revela todo lo relativo al universo presente, los multiversos y a la vida, donde se responde los cuestionamientos de dónde venimos y hacia dónde vamos, cómo se originó el universo o los universos y si este universo en el cual vivimos así como los demás tendrán un final o no. O si ya la teoría M será o es la teoría definitiva. Hawking y Leonard Mlodinow, manifiestan su dominio conceptual y didáctico de comunicación en redactarla en

“Cómo hay una ley como la de la gravedad, el universo puede ser y será creado de la nada... La creación espontánea es la razón por la cual existe el universo. No hace falta invocar a Dios para encender las ecuaciones y poner el universo en marcha. Por eso hay algo en lugar de nada, por eso existimos. ”

Stephen Hawking

Hawking y Mlodinow

un lenguaje sencillo la compleja matemáticas en la explicación de los multiversos, al gran público con poca formación científica explicaciones realizadas en función de las principales teorías de la ciencia, como la relatividad especial, relatividad general, mecánica cuántica, teoría de partículas, las cinco versiones de las teorías de cuerdas y la teoría M, entre otras teorías de la ciencia.

Por considerarlo esencial, elegante y profundo, las explicaciones de los autores de la obra en función de la Teoría M, se pasa a copiar algunos párrafos del Primer

Capítulo, El Misterio del Ser, del libro “El Gran Diseño” de Hawking y Mlodinow, donde afirman que la teoría M puede ofrecer respuestas a la pregunta de la creación, observemos:

“Describiremos cómo la teoría M puede ofrecer respuestas a la pregunta de la creación. Según las predicciones de la teoría M, nuestro universo no es el único, sino que muchísimos otros universos fueron creados de la nada. Su creación, sin embargo, no requiere la intervención de ningún Dios o Ser Sobrenatural, sino que dicha multitud de universos surge naturalmente de la

ley física: son una predicción científica. Cada universo tiene muchas historias posibles y muchos estados posibles en instantes posteriores, es decir, en instantes como el actual, transcurrido mucho tiempo desde su creación. La mayoría de tales estados será muy diferente del universo que observamos y resultará inadecuada para la existencia de cualquier forma de vida. Sólo unos pocos de ellos permitirían la existencia de criaturas como nosotros. Así pues, nuestra presencia selecciona de este vasto conjunto sólo aquellos universos que son compatibles con nuestra existencia. Aunque somos pequeños e insignificantes a escala cósmica, ello nos hace en un cierto sentido señores de la creación. Para comprender el universo al nivel más profundo, necesitamos saber no tan sólo cómo se comporta el universo, sino también por qué. ¿Por qué hay algo en lugar de no haber nada? ¿Por qué existimos? ¿Por qué este conjunto particular de leyes y no otro? Ésta es la cuestión última de la vida, el universo y el Todo…”.

Pues bien, se puede comprender que todo el análisis de la obra en lo concerniente a la creación del universo centra su explicación primordialmente en la Teoría M. Además, se percibe en los autores, que la Teoría M podría ser la teoría definitiva que Albert Einstein buscaba para conocer los profundos secretos del universo. Todo parece indicar que la consistencia matemática que observan en la Teoría M es tan fuerte que sugieren la idea que podría ser ya la teoría definitiva. Es en ese sentido que se considera que nuestro universo no es el único porque una enorme cuantía de otros universos fueron creados de la nada, lo que significa que para su creación, no se requiere de la intervención de ningún ser

sobrenatural en el sentido de que ya se cuenta con herramientas físicas y matemáticas que indican que el origen de los multiversos obedecen estrictamente a las leyes de la física.

Los autores plantean que una de la consecuencia del Principio de Incertidumbre de Heisenberg, reside en que el valor de un campo y de su tasa de cambio temporal desempeña la misma función que la posición y velocidad de una partícula, razón por la cual

“…es que no existe el espacio vacío. Ello es así porque espacio vacío significa que el valor de un campo es exactamente cero y que la tasa de cambio del campo es también exactamente cero (si no fuera así, el espacio no permanecería vacío). Como el principio de incertidumbre no permite que los valores del campo y de su tasa temporal de cambio tengan valores exactos simultáneamente, el espacio nunca está vacío. Puede tener un estado de mínima energía, denominado el «vacío», pero dicho estado está sujeto a lo que llamamos fluctuaciones del vacío cuántico, que consisten en partículas y campos que aparecen y desaparecen de la existencia. Podemos interpretar las fluctuaciones del vacío cuántico como pares de partículas que aparecen conjuntamente en un cierto instante, se separan, vuelven a unirse y se aniquilan entre sí.”

Lo que Hawking y Mlodinow están planteando es que el concepto de espacio vacío de siglos anteriores no es correcto, ya que a lo que se llamaba vacío no es tal, puesto que, existe una energía mínima que se ha denominado radiación del punto cero, que significa que el espacio nunca está vacío porque tiene un mínimo de energía, y si existe un mínimo de energía, el término vacío absoluto no es real, porque existe algo. El vacío está sujeto a lo que se llama fluctuaciones del vacío cuántico, permitiendo que partículas y campos aparezcan y desaparezcan de la existencia. El vacío como tal, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, no existe. Esto ha sido demostrado experimentalmente, mediante el Efecto Casimir, el cual señala la existencia de una diminuta fuerza entre placas metálicas paralelas donde se realizó un vacío absoluto, revelando que el vacío absoluto no existe por la presencia de esa energía mínima que origina esa fuerza extremadamente diminuta. Es una fuerza mínima que no disminuye aunque se reduzca la temperatura. Esa fuerza atractiva, que describe Hawking y Mlodinow, que se manifiesta en el vacío, se demostró colocando dos placas metálicas sin ningún tipo de carga eléctrica ubicadas en el vacío y a unos pocos nanómetros una de otra, sin ningún campo electromagnético externo. Es decir, que no hay ningún campo entre las placas, y ninguna fuerza se medirá entre ellas. Cuando este campo es estudiado utilizando la mecánica cuántica, las placas afectan a los fotones virtuales constituyendo el campo de vacío, lo que genera una fuerza neta medible, originando una atracción o una repulsión, dependiendo de la colocación de las placas en el experimento. Esta fuerza se ha medido, y el cálculo original de Hendrik Casimir de hace 63 años, puede localizarlo en este link, de Wikipedia la enciclopedia libre, http://es.wikipedia.org/wiki /Efecto_Casimir#C.C3. A1lculo_de_Casimir. El cálculo muestra que la fuerza de Casimir por unidad de área es muy pequeña, siendo su origen puramente inherente a la mecánica cuántica.

Universos paralelos

Lo que existe en realidad no es el vacío absoluto sino el vacío cuántico, y dicho estado está sujeto a las fluctuaciones del vacío cuántico, donde todas las cantidades físicas conservadas son cero, lo que revela que el universo sería equivalente a la nada. Es decir, a escala cósmica la E+ + E- = 0, en consecuencia el resultado es la Nada. Como la energía positiva no es igual a cero y la energía negativa no es igual a cero debido al principio de incertidumbre resulta un universo con materia. Como derivación, el vacío cuántico creó la nada, y de la nada, surgió espontáneamente el universo. Esto significa que la nada se refiere a un concepto muy bien definido por parámetros físicos y leyes ajustadas a ese estado distintivo del universo, donde se manifiestan las fluctuaciones cuánticas, donde las partículas cuánticas y el universo pueden crearse de manera espontánea a partir de la nada, donde no existe el espacio, el tiempo, y la materia. Las fluctuaciones cuánticas que se manifiestan en la nada en pequeña escala, como en unas placas metálicas en el pequeño mundo de un laboratorio de ciencia experimental, revelan que las pequeñas diferencias de temperatura y densidad que se reflejan en radiación de la nada derivan de las fluctuaciones del vacío de campo que impulsó la fase de inflación que dio origen al universo en los primeros momentos de su existencia.

Hawking y Mlodinow lo expresan de la siguiente manera:

“Fluctuaciones cuánticas crearon universos minúsculos de la nada. Unos pocos de ellos alcanzaron un tamaño crítico, entonces se expandieron de manera inflacionaria, formando galaxias, estrellas y, como mínimo en un caso, seres inteligentes como nosotros”.

Esto entraña una verdad fehaciente, conmovedora, pues, esos universos surgen de manera espontánea debido al Principio de Incertidumbre el cual impide que se manifiesten valores exactos al mismo tiempo. Es decir, la relación de los valores del campo y la tasa temporal de cambio al mismo tiempo no son exactas. Hay no tener valores exactos sincrónicamente en dicho estado se manifiesta espontáneamente fluctuaciones del vacío cuántico. Esas fluctuaciones del vacío cuántico, o diferencias de densidad y temperatura, originaron la nada, de la cual surgieron los universos de manera inflacionaria formando todo los cuerpos celestes que vemos en el universo y seres inteligentes como nosotros.

Siguen explicando que esto es una manifestación pura del principio antrópico: nuestra existencia es la que a posteriori hace que el Universo y sus leyes deban ser de la manera que son.

“Nosotros creamos la historia por nuestra observación, en lugar de la historia creándonos a nosotros”.

Los cálculos físicos y matemáticos, afirman los autores de la obra, muestran hasta 10500 Universos diferentes podrían haber aparecido de la nada por fluctuaciones cuánticas, y no es extraño que uno de ellos haya sobrevivido hasta que nosotros lo definamos como el nuestro. ¡Cuántas bellezas en las ideas del genio inglés Stephen Hawking y Mlodinow! Todo esto significa más o menos comparando las fluctuaciones cuánticas de la nada con la de un océano de burbujas y cada burbuja representa un universo con sus propias leyes independiente de los demás universos.

La aparición espontánea del universo a partir de de la nada, lo expresan los autores de manera brillante, afirmando que:

“cuando añadimos efectos cuánticos a la relatividad general, en casos extremos la curvatura puede ocurrir a tal nivel que el tiempo se comporta como otra dimensión espacial. Habría 4 dimensiones del espacio y ninguna del tiempo. (…) Esto está fuera de nuestra experiencia, pero no fuera de nuestra imaginación ni nuestras matemáticas”.

Así que, la aparición espontánea de materia de en medio de la nada es un fenómeno que aparentemente se nos escapa de toda comprensión científica, pero consideran que la Teoría M también puede abordarlo. La clave asegura está en la energía gravitacional, veamos:

“En efecto, como la gravedad da forma al espacio y al tiempo, esta permite que el espacio-tiempo sea localmente estable pero globalmente inestable. A escala del conjunto del universo, la energía positiva de la materia puede ser contrarrestada exactamente por la energía gravitatoria negativa, por lo cual no hay restricción a la creación de universos enteros”.

Como se puede ver, la existencia de energía gravitacional en una dirección implicará la necesidad de energía gravitacional en la otra, y por la ecuación E=mc2, ésta energía podría ser transformada en materia. Esto ocurre así debido a que la ecuación de Albert Einstein indica, en una de las interpretaciones más sencillas, que la energía puede convertirse en materia y la materia en energía cuando se mueve al cuadrado de la velocidad de la luz. En esa línea de pensamiento explican los autores de, El Gran Diseño, que:

“Dado que existe una ley como la de la gravedad, el Universo puede ser y será creado de la nada... La creación espontánea es la razón por la cual existe el universo. No hace falta invocar a Dios para encender las ecuaciones y poner el universo en marcha. Por eso hay algo en lugar de nada, por eso existimos”.

Entonces, dado que existe una ley como la de la gravedad, el universo, proviene de la nada. La nada tiene fluctuaciones cuánticas, dando origen al universo. Esto es debido a que el campo genera presión, la cual es la fuente de campo gravitatorio. En consecuencia cuando la presión del medio es suficientemente negativa, dicho medio genera una gravedad repulsiva, porque la energía del vacío tiene presión negativa. Esta gravedad repulsiva del vacío fue la responsable del efímero período de expansión exponencial por la que paso el universo en los primeros instantes de su existencia, conocido como inflación cósmica. Se sabe que la suma de toda la energía que hay en el universo es cero lo que le permitió al universo surgir de la nada. La energía se obtuvo para que surgiera la enorme cantidad de materia de la energía de la gravedad, la cual se considera negativa; toda la energía tomada prestada genera a su vez materia y como la energía de la materia es positiva genera a su vez energía gravitatoria negativa y si el universo es cerrado se cancelan mutuamente entre sí, por ende, toda la energía que hay en el universo es cero.

Observemos como el físico y cosmólogo Alexander Vilenkin de la Tufts University. Madrid, abril de 2008. En el programa de Redes, que conduce Eduard Punset, con el Título: “Todos los días nace un universo” –emisión 33 (07/06/2009, 21:18 hs) – temporada 13, explica que el universo surge de una "fluctuación cuántica de la nada". Veamos, sus interesantes explicaciones al respecto:

“Y pudo suceder así porque, si tenemos un universo cerrado, si el espacio se cierra sobre sí mismo como la superficie de la Tierra, entonces es un hecho matemático que la energía total del universo es cero. Como la energía de la materia es positiva y la energía de la gravedad es negativa, en un universo cerrado se cancelarían exactamente entre sí. Y lo mismo sucede con la carga eléctrica, que también es una cantidad que

se conserva. La carga eléctrica de un universo cerrado debe equivaler a cero. Por tanto, si las cifras conservadas son igual a cero, entonces nada impide que el universo se haya creado espontáneamente porque, en la mecánica cuántica, todo lo que no está prohibido por leyes de conservación de energía tiene alguna probabilidad de suceder. Lo más probable es que este universo tenga un tamaño muy pequeño y esté repleto de grandes cantidades de energía de lo que denominamos «falso vacío», esta materia repulsiva es la que provoca la expansión inflacionaria. Así que este universo diminuto surge de la nada y empieza a expandirse. Pero, antes de eso, no existe el espacio ni el tiempo”.

Las explicaciones de Alexander Vilenkin se corresponden con las Teorías de la Gran Unificación en la que el falso vacío designa como un estado distintivo en el que los campos de Higgs de la gran unificación tienen un conjunto de valores que no minimizan la densidad total de energía. Según Vilenkin el universo empezó en un estado de falso vacío, con las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y débil que considera estaban unificadas en una sola fuerza. Como el estado de falso vacío es inestable produce una transición de

El universo de Vilenkin

fase hacia un vacío verdadero, que es el estado de densidad mínima de energía. Sostiene que la transición del falso vacío al verdadero rompe el equilibrio de la gran unificación.

Considera que el falso vacío genera presión negativa originando un campo gravitatorio repulsivo que es el causante de la expansión exponencial del universo en los primeros momentos de su existencia conocido como la inflación.

En síntesis, para los autores de, El Gran Diseño, el vacío cuántico no tiene una densidad de energía igual a cero simultáneamente porque el Principio de Incertidumbre de Heisenberg lo prohíbe, pero permite que se manifiesten las fluctuaciones cuánticas en el vacío, donde pueden crearse

partículas con sus antipartículas y los campos logran experimentar fluctuaciones en sus valores; esas fluctuaciones en los campos y en la materialización de partículas con antipartículas, cuando se adicionan origina la energía de punto cero, conocido como la Nada.

De la nada surge el universo porque no existe la energía de punto cero simultáneamente sino que existe las fluctuaciones cuánticas que se manifiestan en la nada. Es esas fluctuaciones cuánticas de la nada la que crea los universos, porque el campo y la energía de vacío, generan presión o gravedad repulsiva, la cual es la causante de la expansión exponencial del universo conocido como inflación cósmica. Así, podemos observar que la cantidad de materia que existe en el universo procedió de las fluctuaciones cuánticas de la energía de vacío y campos a partir de la nada. En este nuevo estado físico del universo toda la energía que hay en el universo es cero porque la energía de la materia es positiva y la materia genera a su vez energía gravitatoria negativa y si el universo es cerrado ambos componentes se cancelan entre si lo que indica que en realidad el universo surgió de la nada debido a las fluctuaciones cuánticas de vacío.

Esto es lo que es podido entender, amigos lectores y lectoras, de la cosmología moderna a la luz de los grandes debates teóricos que la comunidad científica viene librando en desentrañar el cómo y el por qué del universo, de los multiversos y cómo se originaron de la nada o del falso vacío. Espero estar cerca de la comprensión científica de estas grandes teorías que desafían la inteligencia de la mente científica más brillante de nuestro tiempo, las cuales escudriñan o indagan sobre la razón de ser y de existir del universo y de los multiversos. Un dato interesante antes de finiquitar es que el pensamiento científico ha dejado a la zaga al pensamiento dogmatico en las explicaciones sobre el origen del universo o los multiversos. Confronten ambas explicaciones, y se darán cuenta que ya quedaron en el pasado, pues la Teoría M lo ha dejado desarmado sin argumento valedero, por ende, su muerte es inevitable, solo lo tiene vivo el dogma.juanelquimico24@hotmail.com